DE2361385B2 - Mechanoelektrischer messumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mechanoelektrischen Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Differentialtransformatoren und Differentialdrosseln werden in der elektrischen Meßtechnik häufig zur M) Bestimmung von jeweils einer einzigen Bewegungskomponente verwendet. Sie arbeiten im allgemeinen berührungsfrei und enthalten im Gegensatz zu Vorrichtungen mit Stellpotentiometern od. dgl. keine Verschleißteile. Die bekannten Dilfcreiitialtransformatoren b^r> haben gewöhnlich zwei Sekundärwicklungen, die zu beiden Seiten einer zentralen Primärspule angeordnet sind, und deren induktive Kopplung durch einen beweglichen Ferritkörper gegensinnig verändert werden kann (US-PS 25 52 722). Die bei ungleicher induktiver Kopplung entstehende Differenzspannung der Sekundärwicklungen kann durch phasenabhängige Gleichrichtung in ein Gleichspannungssignal verwandelt werden, dessen Vorzeichen und Größe der Längsbewegung des Ferritkörpers aus einer Mittellage heraus entspricht. Erfolgt die Verschiebung des Ferritkörpers auf einer vorgegebenen Kreisbahn, so kann das Gleichspannungssignal zur Messung der Drehbewegung um den Kreismittelpunkt verwendet werden. Bei den bekannten Differentialdrosseln wird eine gewisse Vereinfachung des Prinzips durch den Fortfall der Primärerregungsspule erreicht. Die verbleibenden Sekundärspulen sind in diesem Fall als Drosselspulen aufzufassen, deren Wechselstromwiderstände von der Lage des Ferritkörpers abhängen. Das lagenabhängige elektrische Signal wird in diesem Fall in analoger Weise aus der Differenz der Wechselstromwiderstände, z. B. mit Hilfe einer geeigneten Brückenschaltung gewonnen. In manchen Fällen ist es notwendig, zwei oder mehr Bewegungskomponenten eines Objekts gleichzeitig zu erfassen. Die bekannten Differentialtransformatoren bzw. -drosseln sind als Einkomponenten-Meßwandler hierfür ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Wandler anzugeben, mit der zwei oder mehr Translations- bzw. Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines Objekts gleichzeitig erfaßt werden können.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch I angegebene Vorrichtung.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mittels der gesonderten Rechenkreise, die erl'indungsgemäß jeweils eine algebraische Summe der drei oder mehr Spannungen an den räumlich verteilten Wicklungen der Polkörper bilden, lassen sich aus den entsprechenden Summen- bzw. Differenzsignalen in einfacher Weise z. B. die drei Bewegungskomponenten Längsbewegung (L), Querbewegung (Q)und Drehbewegung (D) eines ferritischen Objekts in einer Ebene herleiten. Wenn man ein anisometrisches ferritisches Objekt von unterschiedlicher Länge, Breite und Höhe zwischen zwei Differentialtransformatoren oder -drosseln der hier beschriebenen Art anordnet, kann man aus den Ausgangsspannungen sechs Signale ableiten, die den möglichen Rotations- und Translationskomponenten der Bewegungen in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen entsprechen. Die genannten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Steuerung von Servosystemen, mit denen ein Objekt bzw. eine Anzahl gleichartiger Objekte nacheinander in eine genau vorgegebene Position und Richtung in der Ebene bzw. im Raum gebracht und dort konstant gehalten werden sollen. Entsprechende Aufgaben entstehen bei der automatischen Bearbeitung bzw. dem Einbau kleiner empfindlicher mechanischer, optischer oder elektronischer Werkstücke. Zu diesem Zweck werden die Werkstücke zunächst mit einer Paßform zur Aufnahme eines geeigneten Ferritkörpers versehen und nach Einsetzen des Ferritkörpers in die Nähe des mechanoelektrischen Wandlers gebracht. Bei kleinen Werkstükken wird ein Ferritkörper von wenigen Milligramm Gewicht im allgemeinen ausreichen. Die Verschiebung des Werkstücks aus der Sollage erzeugt ein oder mehrere von Null verschiedene Ausgangssignale, jedes dieser Signale kann über einen nachgeschalteten Leistungsverstärker und einen Servoantrieb eine

Gegenbewegung bewirken, die d;is zugeordnete Ausgangssignal vermindert. Das Servosystem kommt zum Stillstand, wenn das Werkstück die Sollposition genau einnimmt, d. h. wenn alle Ausgangssignale durch die mechanische Gegenkopplung auf Null abgeglichen sind.

Allgemein können die Ausgangsgrößen des hier beschriebenen Mehrkomponentenwanciiers geeigneten Servosystemen zugeführt werden, die entweder die Rückstellungeines Werkstücks in die Ausgangsstellung oder die Überführung eines Werkstücks in eine vorgegebene Sollstellung oder die bewegungskonforme Mitführung des Mehrkomponentenwandlers mit dem bewegten Werkstück selbsttätig dadurch bewirken, daß ihre Bewegungen den Regelabweichungen der Stellungskomponenten ->teis entgegengerichtet sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen der Erfindung entsprechenden Dreikomponenten-Differentialtransformator mit fünf Spulen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung eines ferritischen Objekts in einer Ebene,

Fig. 2A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die erforderlichen Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente im Analogverfahren mit Hilfe von Summen- und Differenzverstärkern durchgeführt werden, und zwar für einen Differentialtransformator,

F i g. 2B ein F i g. 2A entsprechendes Ausführungsbeispiel, jedoch für eine Differentialdrossel,

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der in Fig. 2 verwendeten speziellen Eingangsverstärker mit Demodulator,

Fig.4A ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung bereits durch geeignete Zusammenschaltung der Signale in getrennten Wicklungsgruppen des Dreikomponenten-Wandlers gewonnen werden,

Fig. 4B eine Abwandlung der Fig. 4A für eine Differentialdrossel und

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im Raum durch gleichzeitige Erfassung der Translations- und Rotationskomponenten in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Dreikomponenten-Differentialtransformator erfaßt als mechanoelektrischer Wandler gleichzeitig die Vorwärts-, Seitwärts- und Drehkomponente der Bewegung eines länglichen ferritischen Objekts 10 in einer Ebene. Das Objekt ist schraffiert dargestellt. Es besteht z. B. aus einem dünnen Streifen eines Werkstoffs mit hoher magnetischer Permeabilität. Der Differentialtransfor mator enthält auf einer rechteckigen Ferritplatte It fünf Magnetpole, von denen sich einer in der Mitte und die anderen symmetrisch an den vier Ecken der Platte befinden. Auf dem zentralen Magnetpol ist eine Primärwicklung W₁, angeordnet, die von einem Generator z. B. mit einer 50-kHz-Wechselspannung gespeist wird und ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. (Bei einer entsprechenden Dreikomponenten-Differentialdrossel entfällt die Bewicklung und Erregung des zentralen Magnetpols.) Auf den an den Rändern befindlichen Magnetpolen sitzen jeweils die Sekundärwicklungen W|, ΗΛ. Wi bzw. Wa, die untereinander gleiche Anteile des Magnetflusses empfangen, solange das Magnetfeld nicht durch ein in der Nähe befindliches ferrilisches Objekt 10 unsymmetrisch verzerrt wird.

Zwischen den in den einzelnen Sekundärwicklungen induzierten Wechselspannungcn (bzw. zwischen den Impedanzen der einzelnen Drosselwicklungen einer entsprechenden Differentialdrossel) treten charakteristische Differenzen auf, wenn das schraffiert gezeichnete Objekt 10 in der dargestellter» Weise aus seiner zentralen Gleichgewichtslage und -richtung versetzt bzw. gedreht wird. Unter der Voraussetzung, daß die Abweichungen des Objekts von der Gleichgewichtslage

lu und -richtung klein im Vergleich zum Polabstand des Mehrkomponentenwandlers sind, erhält man durch die folgenden Rechenoperationen aus den induzierten Spannungen (bzw. Impedanzen) S\ bis Sa der Spulen IVi bis Wa eindeutige Beziehungen für die Längs-, Quer- und Drehkomponente dieser Abweichungen:

Längskomponente K_L -~ (+ S₁ + S₂ - S₃ - S₄)

Querkomponente K_Q~ (- S₁ + S₂ + S₃ - S₄)
Drehkomponente K₀* (- S₁ + S₂ - S₃ + S₄)

Fig. 2A und 2B veranschaulichen ein elektrisches Analogverfahren zur Durchführung der erforderlichen Rechenoperationen. Gemäß Fig. 2A weiden drei geeignete Operationsverstärker OPV mit je zwei invertierender. (-) und zwei nichtin vertierenden ( + ) Eingängen verwendet. Die vier Sekundär-Wicklungen W₁ bis Wa des in F i g. 1 gezeigten Wandlers sind mit den

jo vier Eingängen der Verstärker so verbunden, daß die Ausgangsspannung jeweils der gewünschten algebraischen Summe der Eingangssignale Si bis Sa entspricht. Der Frequenz-Generator GEN liefert eine konstante Wechselspannung von beispielsweise 50 kHz zur

j> Erregung des Differentialtransformators über die Primärwicklung WV und steuert gleichzeitig die Dcmodulatoren DEM, mit denen die Ausgangsspannungen der Eingangsverstärker phasenabhängig gleichgerichtet werden.

Verwendet man an Stelle des Differentialtransformators eine Differentialdrossel, so entfällt die induktive Erregung über die Primärwicklung W_t: Man erhält in diesem Fall die entsprechenden Eingangsspannungen S\ bis Sa, indem man den Generatorstrom jeweils über einen konstanten Widerstand R durch die Drossclwicklungen DW₁ bis DWa schickt (F i g. 2B).

Die an diesen Wicklungen abfallenden Wechselspannungen entsprechen den Impedanzen der Spulen und können mit dem in Fig.2A bzw. 2B veranschaulichten Analogverfahren miteinander verrechnet werden. In beiden Fällen kann man aus dem Vorzeichen und der Größe der demodulierten Gleichspannungssignale, d. h. der Komponenten Ki., Ky und Kp die Richtung und Stärke der Auslenkung des ferritischen Objekts entsprechend beliebigen Längs-, Quer- und Drehbewegungen vollständig entnehmen.

Analogschaltungen zur Addition und/oder Subtraktion mehrerer elektrische Signale sowie Schallungen zur phasenabhängigen Demodulation von Wechsel-

fao spannungen sind an sich in zahlreichen Ausführungen bekannt. Eine wegen ihrar Einfachheit bevorzugte Ausführungsform ist F i g. 3 zu entnehmen. Die Verrechnung der Eingangssignale erfolgt mit einem Diffcrentialver^tärker OPV1 in Form einer integrierten

b5 Schaltung mit zwei invertierenden ( —) und zwei nichtinvertierenden ( + ) Eingängen I—4. Die Verrechnung von mehr als vier Signalen ist durch entsprechende Erweiterung der Zahl der Eingänge im Prinzip möglich.

Die Demodulation der resultierenden Wechselspannung erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Schaltgliedcs wie eines Feldeffekttransistors FET, der das Ausgangssignal z. B. während der negativen Halbwolle der Frregungsspanniing unterdrückt, wo/.u mit seiner Steuerelektrode über eine Diode der weitere Operations- bzw. Differenzverstärker OPV2 gekoppelt ist, an dessen einem Eingang die Erregungsspannung liegt.

Das Atisgangssignal wird auf diese Weise phasenabhängig gleichgerichtet und steht nach anschließender Glältung durch einen geeigneten Tiefpaß als Gleichspannungssignal mit phasenabhängigem Vorzeichen für Steucrungs-, Meß- und Regelzwecke zur Verfügung.

Das in F i g. 2A bzw. 2B dargestellte Analogverfahren zur Verrechnung der Signale S\ bis St läßt sich unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft vereinfachen, indem man die Signale unter Berücksichtigung der Phasenlage additiv bzw. subtraktiv so hintereinanderschaltet, daß die gewünschte Rechenoperation unmittelbar zustande kommt. Für jede gleichzeitig durchzuführende Rechenoperation wird in diesem Fall jedoch eine gesonderte Gruppe von Wicklungen benötigt.

Fig.4A veranschaulicht die gleichzeitige Bestimmung der Komponenten Ki., Kqund Kodurch geeignete Verschaltung der äquivalenten Wicklungsgruppen Wn bis IVi₄, VV21 bis IV₂₄ und IVsi bis VV34. In diesem Fall trägt jeder der äußeren Magnetpole der Vorrichtung in Fig. 1 drei gleiche Wicklungen. Verwendet man eine entsprechende Differentialdrossel mit drei Wicklungsgruppen DWn bis DlV₁₄, DW_2x bis DlV₂₄ und DlV₃I bis DlVj4, bei der die induktive Erregung über eine Primärwicklung IVi' entfällt, so lassen sich aus den vier Wicklungen einer Gruppe die vier Zweige einer Wechselstromwiderstandsbrücke derart bilden, daß die Nullspannung der Brücke bei hinreichend kleiner Abweichung des Objekts von der Ausgangslagc annähernd der gewünschten Rechenoperation entspricht (Fig.4B). Die Ausgangsspannungen der Wicklungsgruppen des Differentialtransformators werden ebenso wie die Nullspannungen der Wechselstromwidcrslandsbrücken der Differentialdrossel in geeigneter Weise verstärkt und phasenabhängig demoduliert.

Die bisher behandelten Ausführungsbeispiele zur Bestimmung der drei Komponenten der Bewegung eines Objekts in einer Ebene lassen sich unschwer modifizieren oder erweitern, wenn andere oder mehr Bewegungskomponenten gleichzeilig gemessen werden sollen. P i g. 5 zeigt die wesentlichen Merkmale eine Ausführungsbeispiels zur vollständigen Ermittlung bc liebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts in Raum, das auf der gleichzeitigen Bestimmung de

ι Translations- und Rotationskomponenten in den dre zueinander senkrechten Raumrichtungen X. Y und / beruht. Die Vorrichtung besteht aus zwei einande deckungsgleich gegenüberstehenden phasengleich er regten Differentialtransformatoren bzw. unerregler Differentialdrosseln der in Fig. 1 veranschaulichter Ausführung. Das ferritische Meßobjekt 20 im freier Raum zwischen den beiden Wicklungsgruppen IVn' bi IV₁₄' und IV₂₁' bis IV₂₄' ist anisometrisch in bezug au seine Länge, Breite und Höhe. Unter der Voraussetzung daß die beliebig gerichteten Abweichungen von de Ruhestellung des Objekts klein im Vergleich zu der Polabsländen des Sechskoniponentenwandlers sind ergeben sich unmittelbar aus F i g. 5 folgende eindeutige Beziehungen zwischen den Translationskomponentei Tv. T), T/ und den Rotationskomponenten Rx, Ry, R₁ der Abweichungen einerseits und den induzierter Spannungen bzw. Impedanzen Sj₁ bis Si₄ und S_2x bis S₂. der beiden Spulengruppen andererseits:

Ty ^ (— S₁₁ + S₁₂ + S₁₃ — S₁₄ — S₂₁ + S₂₂ + S₂₃ — S₂₄)
Ty^ ( + S₁₁ + S₁₂-S₁₃-S_u +S₂₁ +S₂₂-S₂₃-S₂₄)

T₂ ~~ ( + S₁₁ + S₁₂ + S₁₃ + S₁₄ — S₂₁ -S₂₂- S₂₃- S₂₄)

^*jf ■*"( + "π +^I₂ S₁₃-Sn-S^ -S₂₂ + S₂₃ + S₂₄) R_Y «. (+ S₁! — S₁₂ — S₁₃ + S₁₄ — S₂₁ + S₂₂ + S₂₃ — S₂₄) S₁₁ —S_i2 +S_i3 — S_l4 +S_2i -S₂₂ + S₂₃- S₂₄)

Die verschiedenen oben beschriebenen Verfahren zui Durchführung der Rechenoperation lassen sich sinngemäß auf die Beziehungen anwenden. Wegen dei Beschränkung auf vergleichsweise kleine Abweichun gen des Objekts von der Ausgangsstellung ist dci Sechskomponentenwandler besonders zur Steuerung eines bewegungskompensierenden Servosystems geeig net, das die Rückstellung des Objekts in die Ausgangs position bewirkt oder aber eine bewegungskonformc Mitlührung des Wandlers mit dem beliebig bewegter Objekt veranlaßt.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Palentansprüche:

1. Mechanoelektrischer Meßumformer zur gleichzeitigen berührungs- und rückwirkungsfreien Er- ^r> mittlung mehrerer Translations- und Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines mit dem Wandler mittels eines Ferritkörpers gekoppelten Objektes, insbesondere für ein Servosystem zur selbsttätigen Positionierung des Objektes, mit einer Rechenschaltung, welche den Komponenten der Abweichung des Objektes von einer gegebenen Ausgangsstellung nach Vorzeichen und Größe entsprechende Signale erzeugt, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) der Ferritkörper ist zwischen drei oder mehr räumlich um ihn verteilten Polkörpern angeordnet, auf denen sich jeweils mindestens eine Sekundärwicklung (W\ bis W₄, Wn usw.) eines Differentialtransformators oder jeweils mindestens eine Drosselwicklung (DWi bis DVV₄, DWu usw.) einer Differentialdrossel befindet;

b) an den Ausgang der Wicklungen (Wi bis W₄, DWi bis DWa) sind für die zu ermittelnden Komponenten mehrere gesonderte Rechenkreise angeschlossen, die unabhängig voneinander arbeiten.

2. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenkreise jeweils eine elektrische Analogschaltung mit j<> einem Operationsverstärker (OPV) enthalten, der drei oder mehr jeweils an eine der Wicklungen der Polkörper geschaltete Eingänge hat.

3. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem i> Polkörper eine der Anzahl der zu ermittelnden Komponenten entsprechende Anzahl von Wicklungen (Wii bis Wj₄; DWn bis D Wj₄) angeordnet ist und daß für jede zu ermittelnde Komponente eine Reihen- oder Brückenschaltung aus je einer -in Wicklung (Wn bis W₄ usw.) jedes Polkörpers gebildet ist.

4. Mechanoelektrischer Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Ermittlung r> aller Komponenten der Bewegung oder Stellung eines anisometrischen Objektes (20) mit einem Ferritkörper im Raum räumlich getrennte, in verschiedenen Ebenen liegende Anordnungen von jeweils mehreren Wicklungen (Wn' bis Wi₄' und w W21' bis Wm') vorgesehen sind, zwischen denen das Objekt angeordnet ist.