DE1938597A1 - Digitale Messanordnung fuer eine mechanische Stellung - Google Patents

Description

• Digitale Meßanordnung für eine mechanische Stellung Die Erfindung betrifft eine digitale Meßanordnung für eine mechanische Stellung unter Verwendung-eines Differentialtransformators, dessen Eingang eine Wechselspannung zugeführt wird und an dessen Ausgang eine in ihrer Amplitude der zu messenden mechanischen Stellung proportionale Wechselspannurr abgreifbar ist und einer mit der Ausgangswechselspannung beaufschlagten Schaltung, die aus der Ausgangsspannung zwei Spannungen erzeugt, deren Phasenverschiebung gegeneinander ein Maß für die mechanische Stellung ist und die zur Bildung eines Digitaiwertes ausgenutzt werden.
• Eine derartige Meßanordnung ist in der deutschen Patentanmeldung P 16 73 999.4 vorgeschlagen worden. Die Auswerteschaltqmg ist dort derart aufgebaut, daß zu der, bzw. von der Ausgangswechselspannung des Differentialtransformators eine gegenüber dieser Ausgangsspannung um 900 phasenverschobene Bezugswechselspannung addiert bzw. subtrahiert wird und daß die Phasenverschiebung dieser beiden Spannungen gegeneinander zur an sich bekannten Bildung der Digitalanzeige ausgenutzt wird.
• in der Praxis hat sich gezeigt, daß die vorgeschlagene Meßanordnung zwar gegenüber bekarwnten, mit Resolvern arbeitenden Meßanordnungen den Vorteil aufweist, daß man sehr viel kleiner zu messende Winkel auflösen kann und daß man ohne Schleifringübertragung auskommt! da beim Differentialtransformator alle Wicklungen feststehen, daß aber mit der vorgeschlagenen Meßanordnung nicht für alle Anwendungsfälle eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden kann.
• Die der Erfindung. zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, unter Beibehaltung des vorteilhaften Differentialtransformators die Meßanordnung derart abzuwandeln, daß das erzielt bare Meßergebnis die zu messende mechanische Stellung ( insbesondere einer Welle ) genauer wiedergibt.
• Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die an die Ausgangsklemme des Differentialtransformators angeschaltete Schaltung aus drei Parallelzweigen besteht, von denen zwei als Reihenschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators ausgebildet, jedoch mit umgekehrter Reihenfolge der Bauelemente eingeschaltet sind und derart bemessen sind, daß der Betrag des ohmschen Widerstandes gleich dem des kapazitiven Widerstandes ist, und der dritte Zweig als Spannungsteiler mit dem Teilerverhältnis 1:1 ausgebildet ist,daß an'den Abgriff des Spannungsteilers ein von der Eingangsspannung abhängiges Potential gelegt ist und daß Schaltmittel zur Bildung der beiden gegeneinander phasenverschobenen Spannungen aus den beiden zwischen dem Widerstand uns dem Kondensator der beiden iC-Glieder abgreifbaren Potentialen und einem gemeinsamen Bezugspotential vorgesehen sind.
• Zur GerinnmlO des an den Spannz:gsteilem gelegten Potentials wird vorzugsweise auf der Primärseite des Differentialtransformators ein Spannungsteiler verwendet und dessen Abgriff wird mit dem Abgriff des sekundärseitigen Spannungs teilers verbunden.
• Das Teilervervältnis des primärseitigen Spannungsteilers kann beliebig gewählt werden, so lange das abzugreifende Potential nicht zu klein wird. Es kann prinzipiell auch zu Null gemacht werden, wenn man ohne Phasenverschiebung auskommt, die jedoch meist wegen einer Phasenverschiebung im DifferentiaItransformator notwendig ist. In diesen Falle liegt parallel zum Spannungsteilerwiderstand ein Hondensator.
• Das Bezugspotential wird ebenfalls primärseitig gewonnen.
• Vorzugsweise wird es am gleichen primärseitigen Spannungsteiler abgegriffen, an dem auch das oben erwähnte Potential gewonnen wird. Hierzu kann man einen Anteil des Spannungsteilers durch ein Potentiome2ter bilden, an dessen einstellbaren Abgriff das Bezugspotential abgegriffen wird.Durch Einstellung des Potentiometers wird das Bezugspotential auf seinen Sollfzert-gebracht.
• Zwar ist es aus der DAS 1298298 bekannt, eine Auswerteschaltungzu benutzen, die aus zwei parallelgeschalteten RC-Gliedern besteht, wobei die Widerstände-und Kondensatoren in umgekehrter Reihenfolge eingeschaltet sind. Bei der bekannten MeBanordnung wird jedoch kein Differentialtransformator, sondern ein Resolver benutzt, dessen beide Sekundärwicklungen bekanntlich Spannungen abgeben, die dem Sinus und Kosinus des zu messenden Winkels proportional sind. Diese Spannungen werden dadurch, daß je ein Anschluß der beiden Sekundärwicklungen an Masse gelegt wird, einander überlagert und die hierdurch entstehende Spannung wird der Auswertschaltung zugeführt. Demgegenüber wird bei der Erfindung ein Differentialtransformator benutzt, der eine Ausgangsspannung abgibt, deren Amplitude in guter N?ffitherung dem zu messenden Winkel proportional ist. Somit besteht bereits durch die verschiedenartigen Voraussetzungen für die Auswertschatung beim Stand der Technik und der Erfindung keine Veranlassung, die bekannte Auswertschaltung auch bei der Erfindung einzusetzen. Darüber hinaus bringt allein die Ü'bernalirre der beiden RC-Glieder bei der Verwendung eines Differentialtransformators kein brauchbares Ergebnis.
• Vielmehr muß die Auswerteschaltung für den Einsatz bei einem derartigen eglied für die mechanische Stellung in bestimmter Weise abgewandelt erden. Erfindungsgemäß besteht diese Abwandlung in der Parallelschaltung eines zusätzlichen Spannungsteilers, dessen Mittenabgriff ein von der Eingsngsspannung der Meßanordnung abhängiges Potential zugeführt wird. Erst nunmehr ist die Auslerteschaltung für die An schaltung an einen Differentialtransformator geeignet. Außerdem werden nunmehr die beiden phasenverschobenen Spannungen durch Bildung der Summen zwischen den beiden Potentialen der Abgriffe der RC-Glieder einerseits und dem Bezugspotential andererseits gewonnen.
• Die Erfindung ist somit in der Erkenntnis zu sehen, daß bei derVerwendung eines Differentialtransformators als Meßwandler eine an sich bekannte Auswerteschaltung zum Einsatz kommen kann, wenn man diese Schaltung in der angegebenen Weise abwandelt.
• Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen H!eßanordnung.
• Die Fig. 2 läßt die Spannungsverhältnisse in der Auswerteschaltung gen Fig. erkennen.
• In der Fig. 1 ist mit 1 ein an sich bekannter Differentialtransformator bezeichnet, an dessen S'ingangsklemmen 2.u. 2' eine Wechselspannung mit einer Frequenz von z.B. 1200 Hz gelegt wird. An seinen Ausgangsklemmen 7 u. 3' gibt dieser Transformator eine Wechselapannung ab, die der Größe eines zu messenden Winkels proportional ist. Die Welle, deren Winkelstellung zu messen ist, beeinflußt durch Verdrehen eines Kernteils die Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Transformators und damit z. B. die Durchflutung der sekundärseitigen Wicklungen. Der Aufbau des Differentialtransformators ist innerhalb des Block 1 nur schematisch angedeutet. An die Ausgangsklemmen 3,3' ist eine Auswerteschaltung 4 angeschaltet, die aus drei Parallelzweigen besteht.
• Zwei Zweige bestehen aus der Reihenschaltung eines Widerstandes R1 bzw. R2 und eines Kondensators C1 bzw. C2, wobei die Widerstände und die Kapazitäten dieser Bauelemente derart gewählt sind, daß bei der ArbeitsSrequenz W gilt:.
• 1 = R1 und 1 -WO1 WO2 Die Reihenfolge der Bauelemente ist in'den beiden Zweigen verschieden. Dr dritte Parallelzweig ist als Spannungsteiler ausgebildet, dessen ohmsche Widerstände R3 gleich groß sind. An dem Punkt M diese Spannungsteilers wird über die Leistung 5 ein von der Eingangsspannung abhängiges Potential gelegt, das im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 an einem primärseitig eingeschalteten Spannungsteiler 6 , 7 gewonnen wird. Der obere Widerstand 6 dient zusammen mit dem Kondensator Sa zur Phasenverschiebung. Er kann entfallen, wenn eine Phasenverschiebung nicht erforderlich ist..Am Abgriff P des Potentiometers, wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Bezugspotential für die Gewinnung der beiden gegeneinander phasenverschobenen Spannungen, abgegriffen.
• Wie bereits erwähnt, werden die beiden gegeneinander phasenverschobenen Spannungen durch Bildung der Summen der Spannungen U8M und U, bzlf. U9M und UI1p, also durch Bildung der Potentialifferenzen zwischen den Potentialen an den Abgriffen 8 und 9 der RC-Glieder und dem Bezugspotential P gewinnen.
• Diese Summensprnungen liegen an den Differenzverstärkern 10 und 11 an.Die Verstärker formen die Sinusspannungen in Rechtecksspannungen um.
• Das Entstehen der Phasenverschiebung zwischen den beiden Eingangsspannungen der Differenzverstärker 10 und 11 sei anhand der Fig. 2 erklärt. In dieser Figur ist die Ausgangsspannung des Differentialtransformators als Vektor 12 dargestellt.Außerdem ist in diesem Vektordiagramm die Spannung zwischen den Abgriffen M der Spannungsteiler 6-7 sowie R 3-R3 und der Klemme 2' ( also Nusllpotential ) eingezeichnet und mit 13 bezeichnet. Die Ausgangsspannung des Transformators 1 liegt an den aus den Widerständen R1 und R2 und den Kondensatoren C1 und C2 gebildeten RC-Gliedern, wodurch die Spannungen UR1 UC, bzw. UR2 entstehen. An den Abgriffen 8 und 9 stehen die an die 2 Differenzverstärker 10 und 11 gelegten Potentiale. Ihr Bezugspotential ist mit P bezeichnet.
• Die Differenzverstärker erhalten somit Eingangsspannungen, die den Vektoren 14 und 15 entsprechen.
• Da die Spannung zwischen den Punkten 3,3 proportional dem zu messenden Drehwinkel ist, ist auch der Betrag der Spannung zwischen den Punkten 8 und 9 proportional dem gesuchten Winkel #. Es gilt nun, wenn man die Spannung zwischen 8 und M mit U8M und die Spannung zwischen P. und M mit UPM bezeichnet.
• Da durch Wahl des Bezugspotentials der Winkelf klein gehalten wird, kann man ohne wesentlichen Fehler anstelle des Tangens das Argument setzen: Somit ist gezeigt, da UPN konstant ist, daß der Winkel 2 dem zu messenden Winkel # proportional ist.
• 2 # # # Man erhält also durch die erfindungsgemäße Schaltung zwei -Spannungen, deren Phasenverschiebung 2# gegeneinander ein MaR für die gesuchte mechanische Stellung ist. Die digitale Mes-sung wird durch Auszählung der Impulse einer Impulsfolge gewonnen, deren Impulszahl der Phasenverschiebung entspricht.
• Hierzu werden die Flanken der Ausgangs spannungen der beiden Differenzverstärker auf ein Tor 16 gegeben, das in seiner Offnungazeit, die der Phasenverschiebung entspricht, Impulse vom Impulsgenerator 17 zum Impulszähler 18 durchläßt.
• Die Schaltung wird z. B. derart ausgelegt, daß bei positiven Winkeln / und Phasenwinkeln # zwischen 0 und etwa 100 z.B. 0 bis 400 Impulse gezählt werden, und daß bei negativen WinkelflCK und ebenfalls Phasenwinkeln bis etwa 100 je nach Größe 6399-5999 Impulse angezeigt werten. Die Impulszahl ist hIerbei so gewählt, daß auf eine Perioae der Betriebsfrequenz 6400 Impulse fallen. Die Größe der umzuwandelnaen Winkel dliegt bei Verwendung von Differentialtransformatoren meist unter 10.
• - Patentansprüche -

Claims (4)

1. Patentansprüche 1. Digitale Meßanordnung für eine mechanische Stellung unter Verwendung eines Differentialtransformators, dessen Eingang eine Wechselspannung zugeführt wird und an, dessen Ausgang eine in ihrer Amplitude der zu messenden mechanischen Stellung proportionale Wechselspannung abgreifbar ist und einer mit der Ausgangswechselspannung beaufschlagten. Schaltung, die aus der Ausgangsspannung zwei Spannungen erzeugt, deren Phasenverschiebung) gegeneinander ein Maß für die mechanische Stellung ist und die zur Bildung eines Digitalwertes ausgenutzt werden, dadurch gekennzeichnet,daß die an die Ausgangsklemmen des Differentialtransformators angeschaltete Schaltung aus -drei~Parallelzweigen besteht, von denen zwei als Reihenschaltung eines Widers,tands und eines Kondensators ausgebildet, jedoch mit umgekehrter Reihenfolge der Bauelemente eingeschaltet sind und derart bemessen sind, daß der Betrag des ohmschen Widerstandes gleich dem des kapazitiven Widerstandes ist und der dritte Zweig als Spannungsteiler mit dem Teilerverhältnis 1:1 ausgebildet ist, daß an den Abgriff des Spannungsteilers ein von der Eingangsspannung abhängiges Potential gelegt ist und daß Schaltmittel zur Bildung der beiden gegeneinander phasenverschobenen aus den beiden zwischen dem Widerstand und dem Kondensator der beiden RC-Glieder abgreifbaren Potertialen einerseits und dem gemeinsamen Bezugspotential andererseits vorgesehen sind.
2. 2. Neßanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des an den Spannungsteiler gelegten, Potentials auf der Primarseite des Differentialtransformators ein Spannungsteiler eingeschaltet ist, dessen Abgriff mit dem Abgriff des anderen Spannungsteilers verbunden ist.
3. 3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung des Bezugspotentials ein auf der Primärseite des Differentialtransformators angeschalteter Spannungsteiler dient.
4. 4. Meßanordnungnach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler ein Potentiometer enthält, an dessen Abgriff das Bezugspotential abgenommen wird.

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