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Vorrichtung zur Verschlüsselung der Winkelstellung und der Drehgeschwindigkeit
einer drehbaren Achse Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verschlüsselung
der Winkelstellung und der Drehgeschwindigkeit einer drehbaren Achse.
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Bekannte Vorrichtungen dieser Art benützen zumeist Scheiben oder Ringe,
die mit der drehbaren Achse starr gekoppelt sind una ihre Drehbewegung mitmachen.
Nach eiern ersten Prinzip karl die Scheibe an ihrer Peripherie detektierbare äquidistante
Elemente aufweisen, die mit Detektoren in der Weise zusammenarbeiten, dass jedesmal,
wenn bei der Drehung der Scheibe ein Element in den Bereich des Detektors gerät,
am Detektorausgang
ein Impuls abgegeben wird; die Impulse werden,
von einem durch ein ebenfalls auf der Scheibenperipherle angebrachtes, markiertes
Element gelieferten unterscheidbaren Bezugsimpuls an gerechnet, in einem Zähler
gezählt. Der Stand des Zählers gibt dann in digital verschlUsselter Form die jeweilige
Winkelstellung der Achse wieder, die Zahl der während eines konstanten Zeitintervalls
gezählten Impulse ist ein ,ass für die Drehgeschwindigkeit. Die detektierbaren Elemente
können z.B. leitende Segmente sein, die mit einer Bürste kooperieren, wobei der
Stromkreis so angelegt ist, dass bei jedem Gleiten der hier als Detektor fungierenden
Bürste Aber ein Segment ein Impuls erzeugt und gezählt wird. Alternativ kann man
als Detektoren Fotozellen verwenden; diese empfangen gebundeltes Licht von einer
ihnen gegenüberliegenden Quelle, welches Licht bei Drehung der Scheibe periodisch
unterbrochen wird. Als detektierbare Elemente kann die Scheibe an ihrer Peripherie
äquidistante Zähne mit lichtdurchlässigen Zwischenräumen aufweisen, es können aber
auch Strichgitter Verwendung finden, was eine gute Auflösung ergibt. Auch magnetische
Ablesung mit einer AuSnahmespule als Detektor ist möglich; zur Erzeugung der Felder
dienen dabei Leiter, die auf einer isolierenden Platte aufgebracht sid. Im einfachsten
Fall kann man natffrlich gemäss den bei der Takt-Spur von magnetischen Speichern
wie Magnettrommeln oder -saheiben angewendeten Prinzip auf ferromagnetischen Scheiben
äqudistante Punktmagnetisierungen anbringen, die die detektierbaren
Elemente
darstellen und jedesmal beim VorbeifAhren an einer Aufnahmespule (Ablesesprle) in
dieser einen Impuls induzièren.
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Nach einem zweiten Prinzip wird die Winkelstellung nicht inkremental,
sondern absolut gemessen, d.h. es wird die der Winkelstellung entsprechende, digital
codierte Information ohne Zähler direkt auf der mit der Achse gekoppelten Codierscheibe
abgelesen. Dabei sind auf der Scheibe mehrere Spuren verschiedener Länge mit detektierbaren
Teilen als Codemuster so angeordnet, dass jeder Spur eine Binärziffer entspricht.
Es sind ebensoviele Detektoren wie Spuren vorgesehen und radial angeordnet, so dass
jeder Detektor mit einer Spur kooperiert und ein Signal abgibt, wenn der aktive
Teil der Spur vorbeigeführt wird. Die jeweils an den Detektorausgängen anstehende
Kombination von "Signal" und kein Signal'1 liefert den dualen bzw.
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binären Code, welcher der jeweiligen Winkelposition entspricht.
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Die Abtastung kann, wie oben, mechanisch, fotoelektrisch oder auch
magnetisch erfolgen. Dieses Prinzip der Codierscheiben hat gegenüber der Inkrementalmessung
den Vorteil, dass keineZähler gebraucht werden und somit auch Messfehler vermieden
werden, die durch Ausfall einzelner Zählimpulse entstehen und alle nachfolgenden
Messungen verfälschen; andererseits ist bei der Absolutmessung mit codierten Scheiben
nur eine Bestimmung der Winkelposition ausführbar, nicht aber ohne zusätzlichen
Zähler eine digitale Messung der Drehgeschwindigkeit.
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Da bei der erfindungsgei:ässen Verschlüsselungsvorrichtung ajch die
Drehgeschwindigkeit gemessen werden soll, macht sie von dem ersten Prinzip, d.h.
der Inkrementalzählung, Gebrauch.
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Sie arbeitet - was in der Praxis wichtig ist - kontaktlos, vermeidet
aber die übliche lichtelekttrische Abtastung aus folgendem Grunde: unter "rauhen"
Betriebsbedingungen ist die Verschmutzung der Fotozelle und Lichtquelle fur die
Messung eine sehr reale Störungsquelle. Wird die Vorrichtung s-.BF bei Zementmühlen
verwendet, um Winkelstellung sowie Drehzahl des Rotors zu bestimmen, ist diese Gefahr
im Hinblick auf die ständige Luftverschmutzung mit feinsten Zement staub besonders
gross.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Methode der kontakt
losen Winkelverschlüsselung sowie t)rehzahlmessung zu schaffen, die von Verschmut
zungseinflussen weitgehend unabhängig ist. Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist
gekennzeichnet durch eine Quelle radioaktiver Strahlung und einen Strahlungsdetektor,
die so angeordnet sind, dass der von der Quelle herrührende kollimierte Strahl auf
seinem Weg zum Detektor mittels einer mit regelmässig angeordneten Zähnen versehenen
Scheibe, aee rit der drehbaren Achse starr gekoppelt ist, periodisch unterbrochen
bzw. geschwächt wird und der Ausgang des Detektors auf einen Zähler geführt ist,
der einerseits die absolute Zahl der bei jener Strahlunterbrechung am Detektorausgang
entstehenden elektrischen Impulse von einem auf der Scheibe markierten
Bezugspunkt
an zählt und damit in digital verschlüsselter Form die Grösse des Drehwinkels liefert
und andererseits periodisch die'während eines konstanten Zeitintervalls eintreffenden
Impulse abzählt und somit ebenfalls in digitaler Gestalt eine der Drehgeschwindigkeit
proportionale Grösse liefert.
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Die Erfindung wird jetzt anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Bild der Messanordnung Fig. 2
eine mehr ins Detail gehende Darstellung der radiaktiven Quelle und des Strahlungsdetektors
Fig. 3 einige schaltungstechnische Einzelheiten von Strahlungsdetektoren für g-Strahlung
bzw. (ß+g)-Strahlung In Fig. 1 ist R der sich um die Drehachse Dr drehende Rotor,
dessen Winkelstellung bzw. Drehgeschwindigkeit zu bestimmen sind. R kann z.B. der
Rotor einer getriebelosen Zementmühle sein. Die Modulierscheibe zur periodischen
Unterbrechung bzw.
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Modulation der vom Strahler Str ausgehenden und vom Detektor D empfangenen
radioaktiven Strahlung hat die Bezeichnung M; sie ist mit der Drehachse Dr und somit
mit dem Rotor R starr gekoppelt. An den Detektor D schliesst sich die Signalauswertung
9 an. Im unteren Teil der Fig. 1 ist ein Teilausschnitt der Modulier scheibe M in
Draufsicht schematisch dargestellt; die Modulierzähne sind mit MZ b-ezeichnet.
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Fig. 2 gibt eine detaillierte Darstellung des Strahlers (Senders)
und Detektors (Empfängers). Als Strahler Str ist eine Stabquelle mit der Achse senkrecht
zur Drehachse Dr vorgesehen, die in einem zugleich als Abschirmung dienenden Strahlergehäuse
Se untergebracht ist. Dieses Gehäuse ist aus strahlungsabsorbierendem Blei hergestellt.
Der zylinderförmige Innenraum des Strahlergehäuses Sg ist durch einen Strahlaustrittskanal,
dessen seitliche Begrenzungswände den Abstand B voneinander haben1 mit der Aussenwelt
verbunden. Der obere Teil der Figur zeigt eine Seitenansicht des Strahlers mit Gehäuse,
im unteren Teil sieht man eine Draufsicht mit Schnitt in der Ebene A-A.
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Der kleinste Abstand der Bewandung des zylindrischen Innenraums von
den drei geschlossenen Aussenwänden des Strahlergehäuses Sg ist F, der Buchstabe
C bezeichnet den Abstand des Stabstrahlers Str von der Austrittsöffnung des Strahlergehäuses
Sg.
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Entsprechend ist im rechten Teil der Figur im Seitenriss (oben) und
in Draufsicht in der Ebene A-A (unten) der "Empfänger' bzw.
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Detektor D dargestellt; es handelt sich um ein Geiger-Müller-Rohr,
dessen Achse, wie gezeigt, parallel zur Achse des Stabstrahlers Str angeordnet ist,
so dass die Strahlung des letzteren durch einen im Empfängergehäuse Eg vorgesehenen
entsprechenden Kanal von rechteckigem Querschnitt ungehindert - bzw. durch einen
im Strahlenweg befindlichen Zahn MZ der Modulierscheibe M empfindlich geschwächt
- auf den Detektor.D fällt
und ein von der Strahlung direkt abhängiges
elektrisches Ausgangssignal des GM-Rohres bewirkt. Das Empfängergehäuse Eg besteht
ebenfalls aus Blei und verhindert eine weitere Fortpflanzung der Strahlung in y-Richtung.
Die Modulierscheibe rK ist hier nur in Seitenansicht gezeigt; ihre Entfernung vom
Stabstrahler Str ist L.
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Das Geiger-Müller-Rohr findet als Detektor D dann Verwendung, wenn
der Strahler Str im wesentlichen eine reine t-Strahlung liefert. Bei kombinierter?-
und ß-Strahlung ist als Detektor zweckmässig ein Photomultiplier mit einem Plastikszintillator
zu benutzen.
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Die obere Frequenz der bei Drehung der Modulierscheibe M und der dadurch
bewirkten periodischen Unterbrechung bzw. Schwächung der Strahlung entstehenden
Impulse ist gegeben durch die maximale Arbeitsfrequenz des Detektors und durch die
erforderliche minimale Zahnbreite, die bei gegebener Drehzahl die Impulsfolge bestimmt.
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Bei bestimmten Anwendungen-wie z.B. beim Zementmühlenantrieb -verlangt
man, dass bei Verschiebung der Zahnscheibe M aus der Mittelstellung in Axialrichtung
um y = + 1cm die Schaltpunkte sich in Radialrichtung um eine viel kleinere Strecke,z.B.
weniger als 2ws,verschieben sollen, und zwar unabhängig von der Drehrichtung. Es
muss also das Strahlenbündel schmäler sein, als dies bei der gewünschten Genauigkeit
(ohne Axialverschiebung) eigentlich erforderlich wäre. Wie aus Fig. 2 hervorgeht,
beträgt
die Oeffnung E des Strahlers in der Distanz L von der Quelle
Str (also in der Ebene der Modulierscheibe) B. L E'C L B ist, wie oben schon bemerkt,
die Breite des einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden Strahlaustrittkanals,
C die Entfernung vom Strahler Str zur Austrittsöffnung. Mit der Wahl der Spaltenbreite
B des Kollimators kann die Axialabhängigkeit der Schaltpunkte beeinflusst werden.
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Die Auswerteeinrichtungen sind schematisch in Fig. 3 dargestellt.
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Die Fig. 3a zeigt als Detektor ein Geiger-Müller-Rohr GM mit einfallender
t-Strahlung. Die Ausgangssignale des Detektors nach dem Kondensator C haben die
Form Non Impulsen mit statistischer zeitlicher erteilung. Fällt die Strahlung unbehindert
auf den Detektor GM, so haben diese Impulse, über eine grössere Zeit gemittelt,
eine bestimmte, von der Intensität der Strahlur.gsquelle abhängige Frequenz. Wenn
sich aber zwischen Strahler und Detektor ein Zahn der Modulierscheibe schiebt, können
nur noch die energiereichsten Strahlungsquanten den - vorzugsweise aus Eisen bestehenden
- Modulierzahn durchdringen, so dass die mittlere Frequenz der Impulse hinter C
drastisch herabgesetzt wird. Ein hinter C angeordneter Integrator I sorgtwährend
der Zeit S für die Addition der Impulse, wobei die Impulshche hinter dem Integrator
durch die Frequenz der Eingangs impulse bestimmt wirdj und somit davon abhängt,
ob sich eine Lücke
oder ein Zahn im Strahl befindet. Das Ausgangssignal
des Integrators I kann durch weitere Verarbeitung - z.B. durch Amplitudendiskriminierung
- in eine Folge von Rechteckimpulsen umgewandelt werden, die mit der Drehung der
Modulierscheibe synchron laufen.
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Gemäss Fig. 3b weist die einfallende Strahlung eine p-Komponente und
eine 3*-Komponente auf. Der Detektor ist hier ein Plastikszintillator Sz mit einem
Photomultiplier Ph.
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Die Zählimpulse am Ausgang von I gelangen auf einen Zähler von normalem
(z.B. dualem) Typ. Einer der Impulse hat - z.B. durch etwas veränderte Breite eines
Zahnes der Modulierscheibe M -eine abweichende Gestalt und kann im Zähler detektiert
werden.
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Dieser Impuls dient als Markier- oder Bezugsimpuls,und der Zähler
wird so eingestellt, dass er bei Auftreten dieses Impulses jeweils gerade den Nullstand
erreicht und einen neuen Zählzyklus beginnt.
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Der Strahlenschutz muss so ausgelegt werden, dass die Strahlung in
der Umgebung die zugelassene Grenze von 2,5 h nicht zu überschreitet. Bei Verwendung
einer Co 60-Quelle mit einer g -Strahlungsintensität von lmC muss die Wanddicke
des Pb-Schutzes mindestens 10 cm betragen, um auf der Oberfläche der Abschirmung
den zulässigen Höchstwert von 2,5 mR/h nicht zu überschreiten. Bei fl-Strahlen (z.B.
Krypton 85) ist es nur nötig, direkten Kontakt mit der Quelle zu vermeiden. Sonst
ist kein besonderer Strahlenschutz erforderlich.
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Die beschriebene Vorrichtung kann durch Programmierung des Zählers
auch als Drehgeber dienen. Um zum Beispiel den Rotor einer Zementmühle in eine gewünschte
Winkelposition zu bringen, kann man den Zähler auf einen bestimmten, diesem Winkel
entsprechenden Zählstand voreinstellen; beim Erreichen dieses Zählstandes wird vom
Zähler ein Signal abgegeben, das den Rotorantrieb stillsetzt. Man kann die Vorrichtung
auch als Taktgeber zur Abbildung des elektrischen Winkels bei rotierenden elektrischen
Maschinen benutzen.
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Bei mindestens zwei Strahler-Detektor-Einheiten kann auch die Drehrichtung
der Scheibe festgestellt werden.
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Zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit (Drehzahl) ist es erforderlich,
die vom Detektor gelieferten Impulse jeweils während aufeinanderfolgender, stets
konstanter Zeitintervalle abzuzählen. Dazu braucht man zwei Speicher, einen für
den jeweiligen Zählstand am Anfang jedes solchen Zeitintervalls und einen für den
Zählstand am Ende des Intervalls. Jedes Zeitintervall ist durch zwei elektrische
Nadelimpulse markiert, welche die Einspeicherung bzw. Umspeicherung des jeweiligen
Zählstandes bewirken. Ferner ist ein kleiner Rechner vorgesehen, der die Differenz
der beiden Zählstände ausrechnet; diese-Differenz entspricht dann der Impulszahl
im konstanten Zeitintervall und ist der Drehzahl proportional.