DE2447007A1

DE2447007A1 - Physical data instrument using carrier frequency - has data pick up AC voltage source balancing elements and AC voltage amplifier

Info

Publication number: DE2447007A1
Application number: DE19742447007
Authority: DE
Inventors: Hans-Dieter Weber
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1974-10-02
Filing date: 1974-10-02
Publication date: 1976-04-08

Abstract

The data pick-up (1) is tuned by the balancing elements (5) in such a way that when the pick-up is detuned by the physical quantity (2) to be measured, the polarity of the pick-up output voltage and, consequently, the output voltage of the a.c. voltage amplifier (7) is not changed. At maximum or minimum detuning the data pick-up is tuned to zero by the balancing elements, so that at minimum or maximum detuning the maximum voltage value is supplied. The zero point of the quantity to be measured is set at the output of the carrier-frequency measuring system by a compensating output state (11).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen mit einem Trägerfrequenz-Meßsystem.Method and device for measuring physical quantities with a Carrier frequency measurement system.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung physikalischer Größen mit einem Trägerfrequenz-Meßsystem, das Meßwertgeber, Wechselspannungsquelle, Abgleichelemente, Wechselspannungsverstärker, Demodulator und Filter aufweist.The invention relates to a method and a device for measurement physical quantities with a carrier frequency measuring system, the transducer, AC voltage source, Has adjustment elements, AC voltage amplifier, demodulator and filter.

Zur Messung physikalischer Größen wie Kraft, Weg, Dehnung, Druck und dergleichen werden in zunehmendem Maße elektrische Methoden verwendet. Hierbei nimmt das Trägerfrequenz-Meßverfahren wegen seiner großen Anpassungsfähigkeit an die Meßprobleme eine wichtige Stellung ein. Mit diesem Meßverfahren können sowohl statische als auch schnell verlaufende dynamische Vorgänge und Schwingungen erfaßt werden. Die zu messenden Größen werden in elektrische Spannungen umgeformt und in geeigneten Einheiten angezeigt oder registriert.For measuring physical quantities such as force, displacement, elongation, pressure and such electrical methods are increasingly used. Here takes the carrier frequency measurement method because of its great adaptability to the measurement problems an important position. With this measuring method both static and Rapid dynamic processes and vibrations can also be recorded. the Quantities to be measured are converted into electrical voltages and converted into suitable ones Units displayed or registered.

Zur Umwandlung der Meßgrößen werden beim Trägerfrequenz-Meßverfahren Meßwertaufnehmer verwendet, in denen die mechanischen Größen in analoge Änderungen elektrischer Werte, wie Widerstand oder Induktivität umgeformt werden. Die Widerstände (z. B. Dehnungsmeßstreifen) oder Induktivitäten (induktive Aufnehmer) werden üblicherweise elektrisch zu einer Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet. An diese Brückenschaltung wird die vom Meßverstärker gelieferte Trägerfrequenz-Spannung angelegt und die Brücke selbst nach Betrag und Phase abgeglichen.To convert the measured quantities, the carrier frequency measurement method Used transducers, in which the mechanical quantities in analog changes electrical values such as resistance or inductance can be converted. The resistances (e.g. strain gauges) or inductivities (inductive transducers) are usually used electrically interconnected to form a Wheatstone bridge. To this bridge circuit the carrier frequency voltage supplied by the measuring amplifier is applied and the bridge even matched by amount and phase.

Die durch den Meßwert hervorgerufene Änderung des elektrischen Aufnehmerwiderstades verstimmt die zuvor ins Gleichgewicht gebrachte Brückenschaltung und verursacht dadurch eine dem Meßwert proportionale Ausgangsspannung. Die im allgemeinen sehr kleine Meßspannung wird im Trägerfrequenz-Verstärker auf ein Vielfaches verstärkt und derart gleichgerichtet, daß dem Anzeige- oder Schreibgerät eine der Brückenverstimmung entsprechende Spannung vorzeichenrichtig zugeführt wird.The change in the electrical transducer resistance caused by the measured value The bridge circuit, which was previously brought into equilibrium, is out of tune and causes thereby an output voltage proportional to the measured value. Which in general very much small measuring voltage is in the carrier frequency amplifier on Multiples amplified and rectified in such a way that the display or writing device one of the Bridge detuning corresponding voltage is supplied with the correct sign.

Bekannte Anordnungen von Trägerfrequenz-Meßsystemen weisen neben dem Meßwertgeber eine Wechselspannungsquelle, einen Wechselspannungaverstärker, einen durch den Wechselspannungsverstärker geschalteten phasenempfindlichen Demodulator (Gleichrichter) und ein Tiefpaßfilter auf. Die Meßwertgeber können, nachdem sie auf Null abgeglichen worden sind, sowohl positiv als auch negativ verstimmt werden. Bei Meßwertgebern mit relativ großen Impedanzen verändert sich die Phasenlage der Ausgangsspannung des Gebers bei Verstimmung des Gebers. Bei konstanter Phasenlage der Schaltspannung des Demodulators wird dementsprechend nicht immer in den Nulldurchgängen des Wechselspannungsmeßsignales geschaltet. Daher ergibt sich am Ausgang des Trägerfrequenz-Meßsystems eine mehr oder minder große Linearitätsabweichung, die den Meßfehler der Einrichtung erhöht.Known arrangements of carrier frequency measurement systems have in addition to Transmitter an AC voltage source, an AC voltage amplifier, a phase-sensitive demodulator switched by the AC voltage amplifier (Rectifier) and a low-pass filter. The transducers can after them have been calibrated to zero, can be detuned both positively and negatively. In the case of transducers with relatively large impedances, the phase position of the changes Output voltage of the encoder if the encoder is detuned. With constant phase position the switching voltage of the demodulator is accordingly not always in the zero crossings of the AC voltage measurement signal switched. Therefore results at the output of the carrier frequency measuring system a more or less large deviation in linearity, the measurement error of the device elevated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Messung physikalischer Größen mit einem Trägerfrequenz-Meßsystem zu schaffen, das die erwähnten Nachteile des phasenempfindlichen Demodulators vermeidet und darüberhinaus einfacher und preiswerter als bekannte Verfahren ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßwertgeber mit den Abgleichelementen so abgeglichen wird, daß sich bei Verstimmung des Gebers durch die zu messende physikalische Größe die Polarität der Geberausgangsspannung und damit der Ausgangsspannung des Wechselspannungsverstärkers nicht ändert. Durch den erfindungsgemäßen Verfahrensschritt wird ein Demodulator (Gleichrichter), der phasenempfindlich ist, überflüssig. Die Gleichrichtung des Wechselspannungsmeßsignals hat keinen Einfluß mehr auf die Linearität des Ausgangssignals am Meßverstärker. Am Ausgang des Verstärkers steht eine der physikalischen Eingangsgröße am Meßwertgeber proportionale elektrische Spannung zur Verfügung. Der Aufbau des Meßsystems kann durch die Verwendung einfacher Gleichrichter vereinfacht und die Herstellung hierdurch verbilligt werden.The object of the present invention is to provide a method for measurement to create physical quantities with a carrier frequency measuring system, the mentioned Avoids disadvantages of the phase-sensitive demodulator and, moreover, simpler and is cheaper than known methods. This object is achieved according to the invention solved that the transducer is adjusted with the adjustment elements so that If the encoder is detuned due to the physical quantity to be measured, the polarity changes the encoder output voltage and thus the output voltage of the AC amplifier does not change. The method step according to the invention creates a demodulator (Rectifier), which is phase sensitive, is unnecessary. The rectification of the AC voltage measurement signal no longer has any influence on the linearity of the output signal at the measuring amplifier. One of the physical input variables is at the output of the amplifier Proportional electrical voltage is available at the transducer. The structure of the Measuring system can be simplified by the use of simple rectifiers and the Manufacturing can be made cheaper as a result.

Zweckmäßigerweise wird der Meßwertgeber bei maximaler bzw. minimaler Verstimmung mit den Abgleichelementen auf Null abgeglichen, so daß bei minimaler bzw. maximaler Verstimmung der maximale Spannungswert geliefert wird. Damit ist es auf einfache Weise möglich, denn Nullabgleich des Meßsystems vorzunehmen.The transducer is expediently at maximum or minimum Detuning adjusted to zero with the adjustment elements, so that at minimum or maximum detuning, the maximum voltage value is supplied. So is it is possible in a simple way, because zero adjustment of the measuring system.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird der Nullpunkt der zu messenden Größe am Ausgang des Trägerfrequenz-Meßsystems mit einer Kompen-sationsendstufe eingestellt. Das Ausgangssignal am Meßverstärker kann damit auf Null kompensiert werden, wenn die zu messende Eingangsgröße am Geber Null ist. Damit ändert das Ausgangssignal sein Vorzeichen mit der Eingangsgröße und es ergibt sich trotz einseitigem Nullabgleich des Meßwertgebers eine vorzeichenrichtige Anzeige am Ausgang des Meßsystems.According to a further feature of the invention, the zero point is to measured variable at the output of the carrier frequency measuring system with a compensation output stage set. The output signal at the measuring amplifier can thus be compensated to zero when the input variable to be measured at the encoder is zero. This changes the output signal its sign with the input variable and it results despite a one-sided zero adjustment of the measuring transducer, a display with the correct sign at the output of the measuring system.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhafterweise als Demodulator ein einfacher Gleichrichter oder ein Zweiweggleichrichter verwendet. Damit kann der phasenempfindliche Gleichrichter entfallen und der Aufbau des Meßsystems vereinfacht werden.To carry out the method according to the invention, it is advantageous a simple rectifier or a full-wave rectifier is used as a demodulator. This means that the phase-sensitive rectifier and the construction of the measuring system can be omitted be simplified.

Wenn gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung das Trägerfrequenz-Meßsystem zusätzlich eine Kompensationsendstufe aufweist, ist es möglich, das Meßsignal trotz einseitigem Nullabgleich des Meßwertgebers vorzeichenrichtig anzuzeigen.If, according to a further feature of the invention, the carrier frequency measurement system additionally has a compensation output stage, it is possible to use the measurement signal despite unilateral zero adjustment of the transducer with the correct sign.

Nach einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens können auch Geber mit einseitig liegendem Nullpunkt verwendet werden. Dies bedeutet beispielsweise für Induktivgeber, daß die gesamte Geberlänge nur etwa halb so groß ist wie bei Gebern mit in der Mitte liegendem Nullpunkt.According to a further development of the inventive concept, donors can be used with the zero point on one side. This means for example for inductive sensors that the total sensor length is only about half as large as with Encoders with zero point in the middle.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die dazu gehörige Vorrichtung kann je nach Frequenz der Wechselspannungsquelle und Dimensionierung des Tiefpassfilters für physikalische Größen im Frequenzbereich Null bis zu den für den Geber noch zulässigen Frequenzen eingesetzt werden Die Erfindung wird an einem Schaltbild, Diagrammen und dem Ausführungsbeispiel eines Gebers im Prinzip dargestellt und näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 Blockschaltbild eines Trägerfrequenz-Meßsystems, Fig. 2 Schaubilder der Spannungsverläufe, Fig. 3 Ausführungsbeispiel eines Induktivgebers.The method according to the invention and the associated device can depending on the frequency of the AC voltage source and the dimensioning of the low-pass filter for physical quantities in the frequency range zero up to those still permissible for the encoder Frequencies are used The invention is based on a circuit diagram, Diagrams and the embodiment of an encoder shown in principle and in more detail explained. They show: FIG. 1 a block diagram of a carrier frequency measuring system, FIG. 2 diagrams of the voltage curves, FIG. 3 exemplary embodiment of an inductive sensor.

In Figur 1 ist ein Widerstandsgeber 1 zu einer Wheatstoneschen Brücke geschaltet. Auf den Geber wirkt eine zu messende Größe 2 ein. Eine Wechselspannungsquelle 3 speist über eine Leitung 4 den Geber 1. Mit Abgleichelementen 5 wird die Spannung 6 auf Null abgeglichen. Mit einem Wechselspannungsverstärker 7 wird die Spannung 6 bei der Messung auf ein Spannungspotential 6 erhöht und anschließend einem Demodulator 9(Einweg- oder Zweiweg-Gleichrichter zugeführt. Mit einem Tiefpass 10 werden die nach der Gleichrichtung entstehenden Oberwellen ausgefiltert. In einer Kompensationsendstufe 11 wird der Ausgangsspannung des Tiefpassfilters 10 eine mit einem Potentiometer 12 eingestellte Kompensationsgleichspannung überlagert. Die Größe der Kompensationsspannung wird so gewählt, daß die Ausgangsspannung 13 Null ist, wenn die physikalische Eingangsgröße 2 ebenfalls den Wert Null hat.In Figure 1 is a resistance sensor 1 to a Wheatstone bridge switched. A quantity 2 to be measured acts on the encoder. An alternating voltage source 3 feeds the encoder 1 via a line 4. The voltage 6 adjusted to zero. With an AC voltage amplifier 7, the voltage 6 increased to a voltage potential 6 during the measurement and then a demodulator 9 (one-way or two-way rectifier supplied. With a low-pass filter 10, the harmonic waves generated after rectification are filtered out. In a compensation output stage 11, the output voltage of the low-pass filter 10 is a potentiometer 12 set compensation DC voltage superimposed. The size of the compensation voltage is chosen so that the output voltage 13 is zero when the physical input variable 2 also has the value zero.

Die Figur 2 zeigt verschiedene Spannungsverläufe als Funktion der Zeit und zwar 2a bis c den Verlauf der Spannung 6, 2d bis f den Verlauf der Ausgangsspannung des Gleichrichters (Demodulator 9) 2g bis i den Verlauf der Ausgangsspannung des Tiefpassfilters 10 und 2k bis m den Verlauf der Ausgangsspannung 13 des Meßsystems. Die Eingangsgröße 2 ist hierbei jeweils eine statische Größe. Der Einfachheit halber wurden die Signalverläufe in Figur 2 nicht sinus- sondern dreieckförmig dargestellt.FIG. 2 shows various voltage curves as a function of Time, namely 2a to c the course of the voltage 6, 2d to f the course of the output voltage of the rectifier (demodulator 9) 2g to i the curve of the output voltage of the Low-pass filter 10 and 2k to m the course of the output voltage 13 of the measuring system. The input variable 2 is a static variable in each case. For the sake of simplicity the signal curves in Figure 2 were not shown sinusoidal but triangular.

In 2a, d g und k ist die Eingangsgröße 2 gleich Null und dementsprechend auch die Ausgangsspannung 13 Null (2k). Die Spannungen a, d und g haben mittlere Werte.In FIGS. 2a, d g and k, the input variable 2 is equal to zero and accordingly also the output voltage 13 zero (2k). The voltages a, d and g have medium Values.

In 2c ist die Eingangsgröße gleich einem pos-itiven Maximalwert.In FIG. 2c, the input variable is equal to a positive maximum value.

Dies entspricht einer maximalen Spannung 6 (2c) und ergibt eine positive maximale Ausgangsspannung 13 (2m). Die Spannungen 2c, f und i haben Maximalwerte angenommen.This corresponds to a maximum voltage 6 (2c) and results in a positive one maximum output voltage 13 (2m). The voltages 2c, f and i have maximum values accepted.

In 2b hat die Eingangsgröße einen negativen Maximalwert angenommen. Dies entspricht einer Spannung 6 gleich Null (2b) und ergibt eine negative maximale Ausgangsspannung 13 (21) . Die mittlere Spannung 2b, e und h wird in diesem Falle gleich Null.In FIG. 2b, the input variable has assumed a negative maximum value. This corresponds to a voltage 6 equal to zero (2b) and results in a negative maximum Output voltage 13 (21). The mean voltage becomes 2b, e and h in this case equals zero.

In Figur 2d und 2f ist das Ausgangssignal des Gleichrichters 9 bei Einweg-Gleichrichtung ausgezogen gezeichnet. Bei Zweiweg-Gleichrichtung kommt die gestrichelt gezeichnete Halbwelle zusätzlich hinzu.In FIGS. 2d and 2f, the output signal of the rectifier 9 is at One-way rectification drawn in solid lines. With two-way rectification comes the The dashed half-wave is also added.

Figur 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Induktivgebers mit einseitig liegendem Nullpunkt. Der Geber besitzt Wicklungen 21 und 22, die übereinander liegen und zu einer Wheatstoneschen Halbbrücke geschaltet werden. Die Wicklung 21 bleibt hierbei passiv. An den Anschlußstellen 23 werden die Wicklungen elektrisch angeschlossen. Über einen Kerndraht 24 wird die Eingangsgröße auf einen Kern 25 übertragen. Der Kern 25 bewegt sich hierbei in die Wicklungen hinein. Bei herausgezogenem ern (wie dargestellt) hat der Geber seine Nullstellung. Die Spannungssignale in dieser Stellung entsprechen den Werten 2b, e, h und 1 in Figur 2. Wenn der Kern 25 vollständig in die Wicklungen 21 und 22 eingeschoben ist, ergibt sich die Maximalstel--lung des Gebers mit den Spannungssignalen 2c, f, i und m nach Figur 2. Durch die übereinanderliegende Wicklungsanordnung ergibt sich eine wesentliche Verkürzung der Gehäuselänge des Gebers (auf Lo/2), was besonders bei großen Geberlängen vorteilhaft ist.Figure 3 shows schematically an embodiment of an inductive transmitter with one-sided zero point. The encoder has windings 21 and 22, which are one above the other and are connected to a Wheatstone half-bridge. The winding 21 remains passive here. At the connection points 23, the windings are electrical connected. The input variable is transferred to a core 25 via a core wire 24 transfer. The core 25 moves into the windings. When pulled out Afterwards (as shown) the encoder has its zero position. The voltage signals in this position corresponds to the values 2b, e, h and 1 in Figure 2. When the core 25 is fully inserted into the windings 21 and 22, the maximum position is obtained of the encoder with the voltage signals 2c, f, i and m according to Figure 2. By the superimposed The winding arrangement results in a significant reduction in the length of the housing Encoder (on Lo / 2), which is particularly advantageous for long encoder lengths.

Claims

Patent claims:

1. Procedure for measuring physical quantities with a carrier frequency measuring system, the transducer, AC voltage source, adjustment elements, AC voltage amplifier, Having demodulator and filter, characterized in that the transducer (1) is adjusted with the adjustment elements (5) so that if the Encoder through the physical quantity to be measured (2) the polarity of the encoder output voltage and thus the output voltage of the AC voltage amplifier (7) does not change.

2. The method according to claim 1, characterized in that the transducer (1) at maximum or minimum detuning with the adjustment elements (5) to zero is adjusted so that the maximum Voltage value is supplied.

3. The method according to claim 1, characterized in that the zero point the quantity to be measured (23 at the output of the carrier frequency measuring system with a compensation output stage (11) is set.

4. Device for measuring physical quantities with a carrier frequency measuring system, the transducer, AC voltage source, adjustment elements, AC voltage amplifier, Having demodulator and filter for performing the method according to claim 1, characterized in that the demodulator (9) is a simple rectifier.

5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the demodulator (9) is a full wave rectifier.

6. Apparatus according to claim 4, characterized in that the carrier frequency measuring system additionally has a compensation output stage (11).

7. Apparatus according to claim 4, characterized in that the transducer (1) has a zero point on one side.