DE2348590C2 - Steuervorrichtung - Google Patents

Description

i) der elektrische Ausgangsparameter auf die jeweils auf die empfindliche Oberfläche treffende Lichtmenge bezogen ist und

ii) im wesentlichen gleiche Temperaturabhängig= keit und im wesentlichen gleiche Alterungsabhängigkeit bestehen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für Benutzung in einem Servogerät, die in Kombination enthält:

a) ein steuerndes, d. h. an Steuerungs- bzw. Auswertungseinrichtungen des Servogerätes anzuschließendes, fotoelektrisches Bauelement mit ausgedehnter, empfindlicher Oberfläche und einer Empfindlichkeitscharakteristik, die sich in einem meßbaren elektrischen Ausgangsparameter wiedergibt;

b) eine elektrisch betriebene Lichtquelle mit einer das Licht bündelnden Einrichtung zur Erzeugung eines auf die empfindliche Oberfläche des steuernden fotoelektrischen Bauelements treffenden Lichtstrahles;

c) eine in den Weg dieses Lichtstrahles eingesetzte bewegliche Einrichtung zum Abfangen von durch die jeweilige Stellung bestimmten Teilen des Lichtstrahles und zur Erzeugung definierter, beschatteter und beleuchteter Bereiche auf der empfindlichen Oberfläche des steuernden fotoelektrischen Bauelementes und

d) ein kompensierendes fotoelektrisches Bauelement mit empfindlicher Oberfläche, die zur Aufnahme eines ununterbrochenen Teiles des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes angeordnet ist und über elektronische Einrichtungen den elektrischen Betrieb der Lichtquelle im Sinne von Konstanthalten der Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes reguliert.

Aus der Zeitschrift ELEKTRONIK, Jahrgang 1972, Heft 6, Seiten 191 bis 194, ist ein optisches Wegmeßgerät bekannt, das in der gleichen Art wie die oben angegebene Steuervorrichtung aufgebaut ist. Bei diesem bekannten optischen Wegmeßgerät ist am Rand des Ausleuchtungsbereiches einer Kondensoriinse außerhalb des über den Meßgeber zu einem fotoelektrischen Bauelement geführten nutzbaren Lichtbündels, und zwar vor einer das nutzbare !,ichtbündel begrenzenden Blende ein Fotowiderstand als zweites fotoelektrisches Bauelement angeordnet, der über elektronische Einrichtungen den elektrischen Betrieb der Lichtquelle steuert. Hierdurch werden gegenüber nicht mit derartiger Kompensationsmaßnahme ausgestatteten, beispielsweise aus DE-OS 22 37 723 bekannten optischen Geräten wesentliche Verbesserungen hinsichtlich Stabilität und Genauigkeit über lange Betriebszeit hinaus erreicht. Es hat sich aber herausgestellt, daß die bei diesem bekannten optischen Wegmeßgerät vorgesehene Kompensationsmaßnahme nicht höheren Anforderungen gerecht werden kann, wie sie bei Servogeräten, insbesondere Servo-Anzeigegeräten und Servo-Steuergeräten, vorliegen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einer für Benutzung in einem Servogerät vorgesehenen Steuereinrichtung der eingangs beschriebenen Art wesentliche Verbesserung der Arbeitsgenauigkeit zu erzielen, d. h. durch Fremdeinflüsse sowie Alterung der Bauelemente bedingte Anzeigefehler auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Die Steuereinrichtung soll dabei einfach in ihrem Aufbau sein und sich durch hohe Betriebssicherheit und kleine Abmessungen auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden fotoelektrischen Bauelemente im Beleuchtungsbereich des von der das Licht bündelnden Einrichtung ausgehenden Lichtstrahles angeordnet sind

und die bewegliche Einrichtung im Weg des auf das steuernde fotoelektrische Bauelement gerichteten Teiles dieses Lichtstrahles als einzig zusätzliche Einrichtung vorgesehen ist

Gemäß der Erfindung ist somit das für Konstanthalten der Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes benutzte zweite fotoelektrische Bauelement ebenso wie das für die Steuerung des Servogerätes vorgesehene erste fotoelektrische Bauelement im nutzbaren Lichtbündel der Lichtquelle angeordnet Hierdurch unterscheidet sich der zu dem einen und anderen fotoeleictrischen Bauelement führende Lichtweg nur durch die zusätzliche Anordnung des Lichtsteuerelements bzw. der beweglichen Einrichtung im Lichtweg zu dem das Servogerät steuernden fotoelektrischen Bauelements. Es werden hierdurch sämtliche im Betrieb, insbesondere im langzeitigen Betrieb an der Lichtquelle und im Lichtweg auftretenden Veränderungen voll kompensiert Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist außerdem einfach in ihrem Aufbau und enthält auf dem Markt befindliche und daher leicht erhältliche elektronische und optische Komponenten.

Die das von der Lichtquelle ausgehende Lieht bündelnde Einrichtung kann beispielsweise eine zum Beleuchten beider fotoelektrischer Bauelemente ausgebildete Kondensorlinse enthalten. Es kommen jedoch auch andere Licht bündelnde Einrichtungen in Betracht, beispielsweise beide fotoeiektrische Bauelemente ausleuchtende konkave Spiegel u. dgl.

Bevorzugt können die beiden fotoelektrischen Bauelemente nah beisammen und nebeneinander angebracht sein. Hierdurch werden die optischen Wege von der Lichtquelle zu den beiden fotoelektrischen Bauelementen — abgesehen vom Lichtsteuerungselement bzw. von der beweglichen Einrichtung — optimal gleich. Es wird dann jegliche im optischen System liegende Beeinflussung, insbesondere Verminderung der Lichtintensität, beispielsweise durch Alterung der Lampe, Verstauben oder Beschlagen der Linse u.dgl. in die Wirksamkeit der Kompensationseinrichtung einbezogen. Praktisch bedeutet dies, daß bei zunehmendem Verlust an Lichtintensität im optischen System, beispielsweise durch Staubeinwirkung, die Kompensationseinrichtung dafür sorgt, daß an der Lichtquelle entsprechend höhere Lichtintensität erzeugt wird, wobei die Ausgangsgröße am kompensierenden fotoelektrischen Bauelement konstant gehalten wird.

In bevorzugter Ausführungsform-r'er Erfindung sind die beiden fotoelektrischen Bauelemente bezüglich ihrer Umsetzungs-Charakteristiken derart aufeinander abgestimmt, daß in beiden Umsetz-Charakteristiken

i) der elektrische Ausgangsparameter auf die jeweils auf die empfindliche Oberfläche zutreffende Licht-

menge bezogen ist und
ii) im wesentlichen gleiche Temperaturabhängigkeit und im wesentlichen gleiche Alterungsabhängigkeit bestehen.

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In dieser Ausführungsform werden auch die auf die fotoelektrischen Bauelemente zurückzuführenden Veränderungen durch die Kompensationseinrichtung er= faßt, und zwar Änderungen in der Umsetzcharakteristik des das Servogerät steuernden fotoelektrischen Bauelements, beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankung oder Alterung. Es ergibt sich dadurch, daß eine im wesentlichen konstante Zuordnung von Ausgangsgroße an dem die Servoeinrichtung steuernden fotoelektrischen Bauelement zu der Stellung des Meßgebers bzw. der beweglichen Einrichtung gewahrleistet ist, und zwar über lange Zeiträume, bei Temperaturschwankungen und sonstigen Veränderungen der Betriebsbedingungen.

Ausführungsbeispieie der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung bei Anwendung in einem Servogerät teilweise schaubildlich, teilweise in Blockdiagramm;

F i g. 2 die Seitenansicht eines d'Arsonval-Instrumentes oder Galvanometers, wie es in Verbindung mit der Steuervorrichtung nach F i g. 1 zu benutzen ist mit dem ihm zugeordneten Lichtstrahl-Steuerungselement und Teilen der Steuervorrichtung;

F i g. 3 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform der Lichtquelle für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung und

F i g. 4 ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung.

F i g. 1 zeigt die Steuervorrichtung v,- Verbindung mit einem Servo-Anzeigegerät, das ein abgeglichenes Impedanz-Netzwerk, beispielsweise eine Wheatstonesche Brücke 20 und mit dieser Brücke und mit einem Galvanometer 22 verbundene Verstärker 24, 26 zum Antrieb des letzteren enthält Der eine Brückenzweig 28 enthält einen auf die Meßgröße ansprechenden Meßgeber 36, beispielsweise ein Widerstandsthermometer, während der benachbarte Brückenzweig 34 das steuernde fotoelektrische Bauelement 38 mit: ausgedehnter empfindlicher Oberfläche 39 enthält. Die Ausgangsempfindlichkeit des fotoelektrischen Bauelementes 38 ist ein elektrischer Parameter, beispielsweise Leitfähigkeit, elektrischer Widerstand, elektrische Spannung oder elektrischer Strom. Eine elektrische Glühlampe 40 stellt zusammen mit einer das Licht bündelnden Einrichtung, beispielsweise einer Kondensorlinse 44, die elektrisch betriebene Lichtquelle dar, die einen Lichtstrahl 42 auf die empfindliche Oberfläche 39 des steuernden fotoelektrischen Bauelementes 38 wirft.

F i g. 1 zeigt eine bewegliche Einrichtung im Weg des Lichf-trahles 42, um einen Teil des letzteren steuerbar abzutrennen und so definierte beschattete und beleuchtete Bereiche auf der empfindlichen Oberfläche 39 des fotoelektrischen Bauelementes 38 zu bilden. Die bewegliche Einrichtung enthält ein bewegliches -Lichtsteuerungselement 46, das durch sein Verdrehen diejenige Lichtmenge, die von der Lichtquelle 40,44 auf das fotoelektrische Bauelement 38 übertritt variiert. Beispielsweise kann das Lichtsteuerelement als eine flache Scheibe mit transparentem Teil 48 und länglichem, keilförmigem opakem Teil 50 ausgebildet sein. Die gestrichelte Linie 52, die gemäß F i g. 1 das bewegliche Lichtsteuerelement 46 mit dem Galvanometer 22 verbindet stellt eine mechanische Verbindung, beispielsweise die in F i g. 2 gezeigte Anbringung des Lichtsteuerelements 46 auf der Welle des Gaivanometers 22 dar. Die Lampe 40 und die Kondensorlinse 44 sind im Beispiel der F i g. 2 hinter dem Galvanometer 22 angeordnet. Der op?ke Teil 50 des Lichtsteuerelements 46 schneidet einen Teil des Lichtstrahles 42 ab, der normalerweise auf den mittleren Bereich der empfindlichen Oberfläche 39 des fotoelektrischen Bauelementes 38 treffen würde.

Das Galvanometer 22 ist über die Verstärker 24 und 26 an die Brückenschaltung 20 angeschlossen und wird

bei unabgeglichenem Zustand der Brücke 20 rasch angetrieben. Dabei veranlaßt der Galvanometerausschlag. daß der Lichtstrahl 42 durch das Lichtsteuerelement 46 modifiziert wird, wodurch mehr oder weniger Licht auf die empfindliche Oberfläche 39 des fotoelektrischen Bauelementes 38 trifft. Dieser Vorgang verläuft in solcher Richtung, daß der abgeglichene Zustand der Brücke hergestellt wird. Wenn die Brücke abgeglichen ist, nimmt das Galvanometer 22 eine bestimmte, vom Zeiger 66 über der entsprechend geeichten Skala 68 angezeigte Stellung an. und eine gewisse Lichtmenge von der Lichtquelle 40, 44 trifft auf die empfindliche Oberfläche 39 des steuernden fotoelektrischen Bauelementes 38, um den von der jeweiligen Meßgröße, beispielsweise Temperatur, Druck. Zug u.dgl. am Meßgeber 36 hervorgerufenen elektrischen Zustand in der Brückenschaltung auszugleichen.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, enthält die Steuervorrichtung 98 ein zweites oder kompensierendes fotoelektrisches Bauelement 100 mit empfindlicher Oberfläche 102, die so eingestellt ist. daß sie einen kontinuierlichen, ununterbrochenen Teil des von der Lichtquelle 40, 44 erzeugten Lichtstrahles 42 aufnimmt. Ferner enthält die Steuereinrichtung 98 gemäß Fig. 1 einen Verstärker 104. der eine elektronische Einrichtung zum Regulieren der Intensität des von der Lichtquelle 4 erzeugten Lichtes darstellt. Der Verstärker 104 ist mit dem kompensierenden fotoelekirischen Bauelement 100 und mit der Lampe 40 verbunden, wodurch die Intensität des von der Lampe 40 abgegebenen Lichtes durch die Amplitude der Ausgangsgröße des Verstärkers bestimmt wird. Eine konstante Spannungsquelle 105 führt eine festgelegte Spannung dem Verstärker 104 zu. um dessen Arbeitspunkt festzulegen. Der Verstärker 104 arbeitet dahingehend, daß er konstant die Ausgangsgröße des kompensierenden fotoelektrischen Bauelementes 100 festhält, was auch dan gewünschten Effekt hat. die Ausgangsgröße des steuernden fotoelektrischen Bauelementes 38 für gegebene feste Stellungen des Lichtsteuerelementes 46 festzuhalten. Die Änderungen, die dann in der Ausgangsgröße des steuernden fotoelektrischen Bauelementes 38 noch auftreten, sind auf Variationen in der relativen Größe der beleuchteten und beschatteten Bereiche der empfindlichen Oberfläche 39 begrenzt Solche Änderungen rühren daher allein von der Bewegung des Lichtsteuerelementes 46 her.

Das steuernde fotoelektrische Bauelement 38 und das kompensierende fotoelektrische Bauelement 100 haben Ausgangsempfindlichkeiten, die durch Umsetzungscharakteristiken bestimmt sind, die Änderungen in Ausgangsparameter (Spannung, Widerstand. Strom) auf Änderungen in dem die empfindlichen Oberflächen jedes dieser Bauelemente treffenden Licht beziehen. Beide fotoelektrischen Bauelemente 38 und 100 sind vorzugsweise vom gleichen Typ und sind aus der gleichen Herstellungscharge gewählt, damit die Änderungen in der Umsetzungscharakteristik des einen Bauelementes demjenigen beim anderen entsprechen. Dadurch kommen sich Änderungen in der Umsetzungscharakteristik aufgrund Temperatur und Alterung bei den beiden fotoelektrischen Bauelementen sowohl in bezug auf Größe als auch in bezug auf Veränderungsrichtung sehr nahe. Änderungen in der Umset/ungseharakteristik des steuernden fotoelektrischen Bauelementes· 39 aufgrund von Temperaturschwankungen und Alterung treten dann auch in ähnlicher Weise in der j Umsetzungscharakterislik des kompensierenden fotoelektrischen Bauelementes 100 ein, das wiederum diese Änderungen der elektronischen Reguliereinrichtung mitteilt. Die letztere stellt dann die Intensität des von der Lampe 40 erzeugten Lichtes ein. um die in eingetretene Änderung in den Umsetziingscharakteri· stiken beider fotoelektrischer Bauelemente 38 und 100 auszugleichen.

Die empfindlichen Oberflächen 39 und 41 der beiden fotoelektrischen Bauelemente 38 und 100 sind dicht r> nebeneinander angeordnet und der Lichtquelle 40, 44 gegenübergestellt, wie dies die Fi g. I und 2 zeigen, so daß alles auf diese Oberflächen treffende Licht durch die das Licht bündelnde Einrichtung, beispielsweise die Kondensorlinse 44, geht. Kleine Intensitätsverminde-.'Ii rungen des auf die empfindliche Oberfläche 39 treffenden Lichtes aufgrund von Trübung. Anlaufen oder Beschichten mit Verunreinigungen an der das Licht bündelnden Einrichtung wird dann durch entsprechende Intensitätsverminderung des auf die empfindliche .'"> Oberfläche 102 treffenden Lichtes begleitet, wodurch dann das kompensierende, fotoelektrische Bauelement 100 die elektronische Reguliereinrichtung zur Erhöhung der Lichtausgangsgröße der Lampe 40 signalisiert, um dadurch eine konstante Ausgangsempfindlichkeit des jo steuernden fotoelektrischen Bauelementes 38 für gegeben*.· Stellungen des Lichtsteuerelementes 46 beizubelnlten. Auch Änderungen in der Lichtintensität der Lampe 40 aufgrund von Alterung werden durch das kompensierende fotoelektrische Bauelement 100 festgestellt, das wiederum solche Änderungen der elektronischen Reguliereinriehtung signalisiert. Diese wiederum variiert die Lichtausgangsgröße der Lampe, um dieser Änderung zu entgegnen. Die empfindliche Oberfläche 102 ist trotz ihrer nahen Anordnung zur empfindlichen Oberfläche 39 stets außerhalb des durch das bewegliche Lichtsteuerelement 46 unterbrochenen Lichtweges und wird deshalb nicht durch Änderungen in dessen Stellung beeinflußt.

F ig. 4 zeigt ein schematisches Schaltbild der Steuervorrichtung. Die dort gezeigte, etwas abgewandelte Kompensierungsschaltung enthält den Verstärker 106 und die die Lampe betreibende Transistorstufe 108. Der elektrische Widerstand 110 bestimmt die anfängliche Helligkeit der Lampe 40.

so Eine andere Ausführungsform der Lichtquelle gemäß Fig.3 enthält einen konkaven Reflektionsspiegel 111. Die Lampe 40 liegt um Brennpunkt dieses Spiegels. Ein opakter Schirm 112 verhindert Streuemission von der Wendel zu den fotoelektrischen Bauelementen 38 und 100. Die Anordnung nach Fig.3 kann anstelle derjenigen nach den F i g. I und 2 eingesetzt werden. Auch im Beispiel der Fig.3 liegt das kompensierende fotoelektrische Bauelement 100 außerhalb des durch das Lichtsteuerelement 46 unterbrochenen Lichtweges und «3 nimmt kontinuierliches Licht von der Lampe 40 über den Reflektionsspiegel 111 auf.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Steuervorrichtung für Benutzung in einem Servogerät, die in Kombination enthält:

a) ein steuerndes, d.h. an Steuerungs- bzw. Auswertungseinrichtungen des Servogerätes anzuschließendes, fotoelektrisches Bauelement mit ausgedehnter, empfindlicher Oberfläche ₍₀ und einer Empfindlichkeitscharakteristik, die sich in einem meßbaren elektrischen Ausgangsparameter wiedergibt;

b) eine elektrisch betriebene Lichtquelle mit einer das Licht bündelnden Einrichtung zur Erzeugung eines auf die empfindliche Oberfläche des steuernden fotoelektrischen Bauelements treffenden Lichtstrahles;

c) eine in den Weg dieses Lichtstrahles eingesetzte bewegliche Einrichtung zum Abfangen von durch die jeweilige Stellung bestimmten Teilen desUchtstrahles und zur Erzeugung definierter, beschatteter und beleuchteter Bereiche auf der empfindlichen Oberfläche des steuernden fotoelektrischen Bauelementes und

d) ein kompensierendes fotoelektrisches Bauelement mit empfindlicher Oberfläche, die zur Aufnahme eines ununterbrochenen Teiles des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes angeordnet ist und über elektronische Einrich- jo tungen den elektrischen Betrieb der Lichtquelle im Sinne von Konstanthalten der Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes reguliert,

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dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fotoelektrischen Bauelemente ;38, 100) im Beleuchtungsbereich des von der das Licht bündelnden Einrichtung (Kondensorlinse 44) ausgehenden Lichtstrahles angeordnet sind und die bewegliche Einrichtung (46) im Weg des auf das steuernde fotoelektrische Bauelement. (38) gerichteten Teiles dieses Lichtstrahles als einzig zusätzliche Einrichtung vorgesehen ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das von der Lichtquelle (40) ausgehende Licht bündelnde Einrichtung eine zum Beleuchten beider fotoelektrischer Bauelemente (38, 100) ausgebildete Kondensorlinse (44) enthält.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fotoelektrischen Bauelemente (38, 100) nahe beisammen und nebeneinander angebracht sind.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden fotoelektrischen Bauelemente (38, 100) bezüglich ihrer Umsetzungs-Charakteristiken derart aufeinander abgestimmt sind, daß in beiden Umsetz-Charakteristiken