DE2106719C3

DE2106719C3 - Positionsmelder

Info

Publication number: DE2106719C3
Application number: DE2106719A
Authority: DE
Inventors: Leslie W. Janesville Wis. Partridge (V.St.A.)
Original assignee: Burdick Corp
Current assignee: Burdick Corp
Priority date: 1970-02-12
Filing date: 1971-02-12
Publication date: 1973-10-04
Also published as: DE2106719A1; CA919801A; DE2106719B2; FR2099734A5; US3636449A; GB1276997A; JPS5431384B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Positionsmelder zur Positionsanzeige von Meßgerätezeigern u. dgl. unter Verwendung eines aus einem Oszillator gespeisten, parallel zu der Bewegungsebene des Zeigers angeordneten, langgestreckten elektrischen Flächenwiderstandes, an dem ein elektrisch leitender Teil des Zeigers einen kapazitiven Abgriff bildet.

Ein derartiger Positionsmelder ist aus der USA.-Patentschrift 3 340 536 bekannt. Gegenüber anderen bekannten Formen, bei denen der Zeiger od. dgl., beispielsweise auch der Schreibstift eines Bl^ttschreibers, an einem veränderlichen Widerstand einen Kontaktabgriff bildet, werden damit Verfälschungen des Ausschlages durch Reibungseinflüsse vermieden. Ferner wird gegenüber solchen Ausführungen, bei denen eine Induktivität oder Kapazität selbst veränderlich ist und die zu diesem Zweck besondere, mit δο dem Zeiger gekuppelte Teile, wie z. B. Flügel, aufweisen, eine geringere Trägheit des Systems erreicht. Jedoch wird dieser Vorteil mit einem beträchtlichen Schaltungsaufwand erkauft, um vor allem ungewollte Änderungen des Positionssignals infolge Kapazitätsänderungen od. dgl. auszuschalten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Positionsmelder der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß bereits mit einem sehr geringen Schaltungsaufwand unmittelbar verwertbare, präzise Positionssignale erhalten werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Oszillator ein Hochfrequenzoszillator ist. dessen erster Ausgang unmittelbar mit dem elektrisch leitenden Teil des Zeigers und dessen zweiler Ausiianc über einen Gleichrichter mit einem festen Punkt des Flächenwiderstandes verbunden ist, und daß dem Gleichrichter eine Filtermittel enthaltende Ausgangsschaltung parallel geschaltet ist.

In einer solchen Schaltung wird einfach das Oszillatorsignal entsprechend um jeweils eingeschalteten Abschnitt des Flächenwiderstandes in verschiedenem Maße bedämpft. Das bedämpfte Signal, welches an dem Gleichlichter abgegriffen wird, ist unmittelbar als Gleichstromsignal verwertbar und bedarf allenfalls noch einer Filterung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die der Schaltung eigene Kapazität einen Bestandteil der Filtermittel, die sich auf einen oder mehrere hinzutretende Widerstände beschränken können.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sind nachfolgend einige bevorzugte Ausführungsformen an Hand der Figuren beschrieben.

F i g. 1 ist ein perspektivisches Schema der räumlichen Anordnung des Systems;

F : g. 2, 3 und 4 sind Schaltbilder geeigneter dazugehöriger Schaltkreise.

Der in Fig. 1 dargestellte Positionsmelder 10 besitzt ein bewegliches Glied 12, dessen Position abgetastet werden soll. Im gezeigten Fall besteht das Glied 12 aus einem Zeiger, der von einem Meßsvstem 14. wie etwa einem Galvanometer, her bewegt wird. Es versteht sich indessen, daß die Erfindung auch in Verbindung mit anderen beweglichen Gliedern Anwendung finden kann, wie z. B. Schreibstiften bei selbstaufzeichnenden Meßgeräten.

Zur Erzeugung eines der jeweiligen Position des Gliedes 12 entsprechenden Ausgangssignals ist in einem gewissen Abstand unterhalb des Gliedes 12 ein fester Träger 16 vorgesehen, dessen Oberfläche 18 parallel zu der Bewegungsebene des Gliedes 12 verläuft. Auf dieser Oberfläche 18 befindet sich ein langgestreckter, elektrischer Flächenwiderstand 20. der von der Unterseite des Gliedes 12, unabhängig von dessen jeweiliger Position, stets den gleichen Abstand einnimmt. Das Glied 12 besteht entweder ganz oder aber zumindest in dem dem Widerstand 20 gegenübertretenden Bereich aus einem elektrisch leitenden Material, so daß über den Luftspalt zwischen dem Glied 12 und dem Widerstand 20 hinweg eine kapazitive Kopplung besteht. Derjenige Bereich des Widerstandes 20, der jeweils auf diese Weise mit dem Glied 12 gekoppelt ist, hängt naturgemäß von der jeweiligen Position des Gliedes ab. Ist das Glied 12, wie gezeigt, schwenkbar, so kann der Widerstand 20 zur Verbesserung der Linearität auch (abweichend von der Darstellung) gekrümmt sein. Obgleich der Widerstand 20 normalerweise ein ohmscher Widerstand sein wird, kann er gegebenenfalls auch aus einem induktiven Widerstand bestehen.

In den F i g. 2, 3 und 4 sind zugehörige Schaltkreise 22 bzw. 23 bzw. 24 gezeigt, mit denen sich aus dem vorausgehend beschriebenen Positionsmelder elektrische Ausgangssignale gewinnen lassen. Gestrichelt eingerahmt erscheint jeweils das Ersatzschalt-

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bild für den Positionsmelder Kl nach Fig. !. In diesem ist das Glied 12 als unmittelbare bewegliche Abzapfung an dem Widerstand 20 wiedergegeben, während die tatsächlich vorhandene kapazität /wischen dem Glied 12 und dem Widerstand 20 durch einen festkondensator 25 dargestellt ist. Ebenfalls, schematich sind Klemmen 26. 28 und 30 ungedemei. die irgendwelche geeigneten elektrischen \ erbmdunge:: mit Jen beiden Enden des Widerslandes 20 bzw. mit ijeni beweglichen Glied 12 bezeichnen.

W ie ersichtlich, ist über das bewegliche Glied 12 an eine bestimmte Stelle des Widerstandes 20 kapazitiv ein Ausgang eines Oszillator 32 angekoppelt, der ein Signal gleichbleibender " ;:piituii./liefert. Dieses Si:· al wird von dem \Vide:;,'.and 2(1 in einem Grade 15, J.L.' .mpfl, der von der jeweiligen Position de> Glieder 12 gegenüber diesem Widerstand abhang:. Das gedämpfte Oszillatorsignal liefert ein Signal/dessen Mittelwert der betreffenden Position" entspricht. Diuh Filtern dieses Signals wird ein Gleichstrom-Aii-uangssignal erhalten, das unmittelbar zur Verv»:-:\lung für Anzeige- oder Steuer/wecke geeignet

Der in F i g. 2 gezeigte Schaltkreis 22 stellt einen H-; nwellen-Schaltkreis dar, dessen Ausgangssiena! (Ji. jeweilige Stellung &■- Gliedes 12 gegenüber dem W .!erstand 20 repräsentiert. Der zugehörige Oszillati·: kann in jeder geeigneten Weise aufgebaut sein, u-'d jedoch zweckmäßigerweise ein Hochfrequenzs; η al im Megahertz- Bereich liefern.

Der eine Ausgang des Oszillators ist über die KVmme 30. wie gesagt, mit dem beweglichen Glied ii verbunden. Der andere Ausgang steht übe- Masse n-it dem Widerstand 20 in Verbindung, genauer gesagt mit dessen Klemme 26 unter Zwischenschaltung euer Gleichrichterdiode 34. Auf diese Weise besteht e'ne Serienschaltung des Oszillators 32 über die Klemme 30, das bewegliche Glied 12 mit der zugehörigen Kapazität in Gestalt des gezeigten Kondensators 25, einen Teil des Widerstandes 20 und die Diode 34. Das Oszillatorsignal wird entsprechend dem jeweils eingeschalteten Teil des Widerstandes 20 gedämpft, der wiederum von der relativen Position des Elements 12 abhängt. Mittels der Diode 34, die icweils eine Halbwelle des Signals zur Masse hin ableitet, wird das gedämpfte Signal gleichgerichtet.

Mit der Klemme 26 und der Diode 34 steht ein Ausgangsschaltkreis in Verbindung, der eine Klemme 36 und einen Belastungswiderstand 38 aufweist, an dem das für die Stellung des beweglichen Gliedes 12 bezeichnende Ausgangssignal abgegriffen wird. Der Widerstand 38 bewirkt, daß durch den Oszillator 32 und die obenerwähnte Serienschaltung in denjenigen Halbperioden ein Strom fließt, in denen die Diode 34 nichtleitend ist.

Der Mittelwert des an der Klemme 36 erscheinenden Ausgangssignals wird um so stärker negativ, je mehr sich das bewegliche Glied 12 in der Darstellung dem oberen Ende des Widerstandes 20 nähen. Genauer gesagt wird das über das Glied 12 kapazitiv auf den Widerstand 20 gegebene Oszillatorsignal während positiver Halbperioden über die Diode 34 zur Masse hin abgeleitet, während ec im Verlaufe der negativen Halbperioden im wesentlichen über den Widerstand 38 in Serie mit dem eingeschalteten Abschnitt des Widerstandes 20 fließt. Diese beiden Widerstände wirken gleichsam als ein Spannungsteiler, an dem die Klemme 36 einen Abgriff darstellt.

1st nur ein kleiner Abschnitt des Widerstandes 20 in der. Sehaltkreis einbezogen, so tritt an der Klemme 36 eine verhältnismäßig große negative Spannung auf. Umgekehrt ist die an der Klemme 36 erscheinende negative Spannung geringer, wenn ein größerer Abschnitt des Widerstandes 20 eingeschaltet ist. So also erscheint an der Klemme 36 gegenüber Masse eine negative Spannung, deren Mittelwert sieh einsprechend der Position des beweglichen Gliede-12an.dv.i-.

in F i g. 3 ist ein .ih_fccwap.deltei Schaltkreis 23 gezeigt, der cMie Yoilweggleichriehtung und damit ein symmetrisches und kräftigeres Ausgangssignai ergibt. Vin dem hier auftretenden Oszillator 40 ist wiederum ein Ausgang über die Klemme 30 mit dem beweglichen Glied 12 \erbu.iden. während der andere Ausgang über Masse und in diesem Falle zwei G'cichrichterdioden 42 u'id 44 mn dem Widerstand 20 in Verbindung steht. C.naucr gesagt, liegt wieder der zweite Ausgang des Os/ill stors an Masse, ebenso wie die Anode der Diode 42 mit der Klemme 26 des Widerstandes und die Kathode der Diode mit Masse verbunden ist. Zusätzlich ist nun aber die Kathode der Diode 44 mit der Klemme 28 des Widerstandes und die Anode uieser Diode mit Masse verbunden. Der Ausgangsschaltkreis enthält in diesem Falle zwc. gleiche BelastungswiderstiMide 46 und 48. deren Veibindungsstelle mit einer Ausgangsklemme 50 verbunden ist. während ihre anderen Enden ebenso wie die Dioden 42 und 44 an den Klemmen 26 und 28 de-Widerstandes 20 liegen. An der Klemme 50 tritt wiederum ein Ausgangssignal auf. dessen Mittelwert von der jeweiligen Position des beweglichen Gliedes 12 bestimmt wird.

Die Arbeitsweise des Schaltkreises 23 ist ganz ähnlich derjenigen des Schaltkreis·.·« 22 aus F i g. 2. mit der Ausnahme, daß die Dämpfung sich nun auf beide Halbwellen des Oszillatorsignals auswirkt. Wiederum wird ein Oszillatorsignal konstanter Amplitude über das Glied 12 an einer Stelle auf den Widerstand 20 gegeben, die sich nach der jeweiligen Position des Gliedes 12 richtet. Der auf diese Weise dem Widerstand 20 mitgeteilte Strom teilt sieh auf in zwei Anteile, deren einer über die Klemme 26 und deren anderer über die Klemme 28 fließt. Die beiden Dioden 42 und 44 liegen, wie gesagt, entgegengesetzt gepoit an Masse, so daß sie Signale bzw. Signalanteile beider Polantäten nach Masse hin abzuleiten vermögen. Während positiver Halbperioden fließt einer der beiden Stromanteile übei die Diode 42 zur Masse, während der zweite Stromanteil durch einen Spannungsteiler au- dem unteren Abschnitt des Widerstandes 20 und den Widerständen 48 und 46 zu^r Diode 42 und zur Masse gelangt. Während negativer Halbperioden leitet die Diode 44 einen Anteil des Stromes zur Masse hin, während der andere Stromanteil durch den oberen Abschnitt des Widerstandes 20. die Widerstände 46 und 48 und den Gleichrichter 44 abfließt. Die Spannung an der Klemme 50 wird um so negativer, je weiter das bewegliche Glied 12 in der Darstellung nach oben wandert, wird jedoch positiv, wenn das Glied 12 sich über den Mittelpunkt des Widerstandes 20 hinaus nach unten bewegt.

An der Klemme 50 tritt ein Signal auf, das unmittelbar als Gleichstromsigna! Verwendung finden kann. Die in dem Schaltkreis inhärent vorhanden Kapazität in bezug auf Masse ist in der Zeic/i^nu"^g durch einen gestrichelten Kondensator 52 darg«^sie

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Die Frequenz des Oszillatorsignals ist entsprechend dieser Kapazität so zu wählen, daß das an der Klemme 50 erscheinende Ausgangssignal geglättet und gefiltert wird, um im wesentlichen ein Gleichstromsignal zu bilden. Vorzugsweise findet, wie gesagt, ein Hochfrequcnzsignal Verwendung. In einem ausgeführten Beispiel hatte ein solches Signal eine Frequenz von etwa 2MHz, wobei tatsächlich am Ausgang praktisch ein Glcichstromsignal erhalten wurde. Die beschriebene Schaltung hat somit den Vorteil, daß ihr Ausgangssignal unmittelbar, d. h. ohne äußere Filterung zu Anzeige- oder Steuerzwekken verwendet werden kann. Eine ebensolche Filterung kann selbstverständlich auch in Verbindung mit den Schaltkreisen nach den F i g. 2 und 4 Anwendung linden.

In F i g. 4 ist ein Beispiel dafür gezeigt, daß die Erfindung auch dort Anwendung finden kann, wo es erwünscht ist, das bewegliche Glied 12 an Masse zu legen. Bei dem hier gezeigten Schaltkreis 24 ist somit die zu dem Glied 12 führende Klemme 30 unmittelbar mit Masse verbunden. Der hier auftretende Oszillator 54 ist statt dessen mit den anderen Enden, d. h. den Klemmen 26 und 28, des Widerstandes 20, und zwar über zwei entgegengesetzt gepolte Dioden 56 und 58 verbunden. Die Klemmen 26 und 28 stchen weiterhin, wie zuletzt, über zwei Widerstände 62 und 64 mit der Ausgangsklemme 60 in Verbindung. Abgesehen von demjenigen Punkt, an dem die beiden Zweige des Schaltkreises mit dem beweglichen Glied 12, den beiden Abschnitten des Widerstandes

ίο 20, den Dioden 56 und 58 und dem Oszillator 54 mit der Masse verbunden sind, entsprechen die Schaltkreise nach den Fig. 3 und4 einander im wesentlichen. In F i g. 4 ist indessen schematisch ein Filter 66 angedeutet, das Verwendung finden kann, um auch in dem Fall ein Glcichstrom-Ausgangssignal zu erhalten, daß die inhärente Kapazität des Schaltkreises 24 nicht ausreichend ist, um das Ausgangssignal in dem gewünschten Maße zu filtern. Das Filter 66 kann aus einer /?C-Kette bestehen. Ebenso kann es jedoch auch von einem Niederfrequenz-Transistorverstärker gebildet werden, der zu träge ist, um dci Oszillatorfrequenz zu folgen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunger

Claims

Patentansprüche:

1. Positionsmelder zur Positionsanzeige von Meßgerätczeigem u. dgl. unter Verwendung eines aus einem Oszillator gespeisten, parallel zu der Bewegungsebene des Zeiger* angeordneten, langgestreckten elektrischen Flachenwiderstandes, an dem ein elektrisch leitender Teil des Zeigers einen kapazitiven Abgriff bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (32. 40. 54) ein Hochfrequenzoszillator ist. dessen eister ,Ausgang unmittelbar mit dem elektrisch leitender! Teil des Zeigers (12) und dessen zweiter Ausgang über einen Gleichrichter (34; 42. 44: 56. 58) mit einem festen Punkt (26. 28) des Flächenwiderstandes (20) verbunden ist, und daß dem Gleichrichter ein Filtermittel (z.B. 66) enthaltender Ausga.igsschaltkreis (38; 46, 48; 62, 64. 66) parallel geschaltet ist.

2. Positionsmelder nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang des Oszillators (40, 54) über zwei entgegengesetzt gepolte Gleichrichter (42, 44; 56, 58) mit beiden Enden (26 28) des Flächenwiderstandes (20) verbunden ist und daß der Ausgangsschahkreis zwei in Serie mit den beiden Enden des Flächenwiderstandes verbundene Widerstände (46, 48; 62. 64) aufweist, an deren Verbindungsstelle das Ausgangssignal abgegriffen wird.

3. Positionsmelder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der. Filtermitteln die der Schaltung eigene Kapazität (52) ausgenutzt wird.

4. Positionsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Ausgänge des Oszillators (32. 40. 54) an Masse liegt.