DE2459909B2

DE2459909B2 - Längen- oder Wegmesser

Info

Publication number: DE2459909B2
Application number: DE2459909A
Authority: DE
Inventors: Claude Annecy Pelletier; Roger Annecy-Le-Vieux Velte
Original assignee: Societe Nouvelle de Roulements SNR SA
Current assignee: NTN SNR Roulements SA
Priority date: 1973-12-18
Filing date: 1974-12-18
Publication date: 1978-04-20
Also published as: FR2254779A1; GB1473549A; US4011500A; SE392967B; DE2459909A1; JPS5093669A; IT1027073B; FR2254779B1; SE7415687L; DE2459909C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Längen- oder Wegmesser mit im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegebenen Merkmalen.

Der gemäß der Erfindung gestaltete Längen- oder Wegmesser ermöglicht ein digitales Messen von Abmessungen mit hoher Genauigkeit und großem Hub.

Bereits entwickelte Längen- oder Wegmessser mit einer Digitalanzeige bestehen im allgemeinen aus drei Hauptteilen: Erstens aus einem Fühler, der aus einem Körper und einem axial oder radial in diesem Körper beweglichen Taster besteht und an eine elektrische Schaltungsanordnung angeschlossen ist, deren Charakteristik bzw. Kenngröße sich abhängig vom Weg des Tasters ändert, zweitens aus einem elektronischen Analogteil zum Umsetzen der elektrischen Kenngröße des Tasters in eine Analogspannung oder in einen dem Weg bzw. der Verschiebung der Tasterachse proportionalen Strom und drittens aus einem elektronischen Digitalteil zum Umsetzen dieser Analogspannung in ein Digitalsignal mit Hilfe eines herkömmlichen Analog-Digital-Umsetzers.

Die Realisierung des Analogteils dieser bereits entwickelten Längen- oder Wegmesser ist sehr anspruchsvoll und sehr sorgfältig durchgeführt werden und erfordert eine hohe Stabilitätsgarantie.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung dieser Nachteile einen Längen- oder Wegmesser anzugeben, dessen Elektronik einfach ist und sicher arbeitet.

Diese Aufgabe wird für einen Längen- oder Wegmesser der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst, durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 im einzelnen angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäß gestalteten Längen- oder Wegmesser kann die Umsetzung der Analoggröße in Meßimpulse direkt im Inneren des Fühlergehäuses mittels einer sehr einfachen Schaltungsanordnung erfolgen. Diese Meßimpulse können über ein Kabel unbegrenzter Länge zum Gehäuse des Messers

übertragen werden, wobei die sich innerhalb des Gehäuses befindenden Schaltungen nur mit logischen Zuständen »0« und »1« und auf irgendeinem festgelegten Spannungspegel arbeiten können.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Differentialfühler gemäß einem Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 das Gesamtblockschaltbild eines Ausführungsbeispieis für den erfindungsgemäß gestalteten Längen- iu oder Wegmesser und

1 3 logische Signale, die in dem Längen- oder Wegmesser nach F i g. 2 auftreten.

Die Figuren zeigen einen Längen- oder Wegmesser zum Messen einer Abmessung, einer Länge, eines Weges, eines Hubes oder einer Verschiebung, mit einem Differentialfühler, der zwei elektrische Bauelemente enthält, die an einen gleichen Wegtaster angeschlossen sind.

Wie aus der Fi g. 1 ersichtlich ist, besteht der Taster gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Differentialkondensator aus zwei Grundkondensatoren 1 und 2, die an eine gemeinsame Tasterachse 3 angeschlossen sind, wobei diese Achse in der Richtung eines Pfeiles / axial in einem Tasterkörper 4 verschieben ist und elektrisch bei 5 an Erde oder Masse liegt. Die Kondensatoren 1 und 2 haben Werte vi bzw. V₂, die identisch sind, wenn die Tasterachse 3 sich in der Null- oder Bezugslage befindet, die in F i g. 1 dargestellt ist. Einer Verschiebung der Achse 3 entspricht einer w Verringerung im Wert (vi, v₂) des einen der beiden Kondensatoren 1 und 2 und eine Erhöhung um dasselbe Inkrement im Wert (v₂, v\) des anderen der beiden Kondensatoren 2 und 1.

Der gezeigte Längen- oder Wegmesser enthält außerdem eine elektronische Schaltung zum Umsetzen der elektrischen Charakteristik oder Kenngröße des Tasters 3 (Werte v\ und v₂) in ein Wegmeßsignal des Tasters 3 und zum Anzeigen dieser Messung.

Diese Schaltung enthält eine Meßanordnung zum Erzeugen eines ersten logischen Signals, Meßimpuls genannt (Signal E in Fig. 3), dessen Dauer ^gleich der Meßwertsumme av\ + av₂ von Parametern aus den Kapazitäten v\ und v₂ der Grundkondensatoren 1 und 2 des Tasters ist (vgl. Signal B nach Fig. 3); ein Bezugsglied zum Erzeugen eines zweiten logischen Signals, Bezugsimpuls genannt (vgl. Signa! Fin Fig. 3), dessen Dauer Tgleich dem doppelten Meßwert av\ aus der Kapazität vi des Kondensators 1 ist; ein Synchronisierglied zum gleichzeitigen Darstellen der Anstiegsflanken des Meßimpulses E und des Bezugsimpulses E und des Bezugsimpulses F; einen Vergleicher zum Erzeugen eines logischen Vergleichsimpulses G (F i g. 3) im wesentlichen aus den Impulsen E und F. Die Dauer T" des Vergleichsimpulses G ist dabei gleich dem Absolutwert der Differenz T-T'zwischen der Dauer T des Impulses Eund der Dauer T'des Impulses Γ; und ein Meß- und Anzeigeglied zum Messen und Anzeigen einer Weggröße oder einer Verschiebungsgröße für den Taster 3 im wesentlichen aus der Dauer T" des wi Vergleichsimpulses G.

Die Meßanordnung enthält, wie aus dem Blockschaltbild von F i g. 2 hervorgeht, einen Oszillator 6, der über einen Umschalter an den einen und an den anderen Grundkondensator 1 und 2 des Tasters anschließbar ist, hi und der derart angeordnet ist, daß er mit dem angeschlossenen Kondensator 1 oder 2 einen Meßgenerator bildet, der ein Signa! aus einer Folge periodischer Impulse abgibt, deren Frequenz vom Wtrt v\, v₂ des Kondensators I₁ 2 abhängt. Die Meßanordnung enthält ferner einen Meßzähler 7, der derart angeordnet ist, daß er einerseits für den Zählbeginn über einen logischen Ausgang Ta einen logischen Rechteckimpuls abgibt, sobald der Zähler mit dem Zählen beginnt (Rechteckimpuls B] im Signal B in Fig. 3), und daß er andererseits automatisch auf Null zurückkehrt und an seinem logischen Ausgang Ta einen zum vorhergehenden Rechteckimpuls Bi gegensinnig gerichteten logischen Rechteckimpuls B₂ für das Zählende abgibt, sobald der Zähler eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen aus dem Meßgenerator gezählt hat. In Verbindung mit dem Umschalter ist der Meßzähler 7 derart angeordnet, daß er einerseits den zweiten Kondensator 2 an den Oszillator 6 anschaltet, sobald der Meßzähler 7 die vorbestimmte Anzahl der Impulse des Meßgenerators aus dem Oszillator 6 und dem Kondensator 1 gezählt hat, und daß andererseits der Kondensator 1 zum Steuern eines logischen Koinzidenz- oder Antikoinzidenzgatters (UND-Gatter bzw. NAND-Gatter) 8 geschaltet ist, damit nur der dem ersten Kondensator 1 zugeordnete Rechteckimpuls Bx am Zählbeginn und der dem zweiten Kondensator 2 zugeordnete Rechteckimpuls B₂ am Zählende an den Ausgang 8a dieses Gatters 8 übertragen werden.

Zu diesem Zweck besteht der Umschalter aus zwei Transistoren 9 und 10, deren gesteuerte Stromquelle die Kondensatoren 1 und 2 an den Oszillator 6 anschalten kann. Die Basis des Transistors 9 bzw. des Transistors 10 ist an den Ausgang 11a bzw. 116 einer bistabilen Kippstufe (Flipflop) 11 angeschlossen, deren Umkippen in eine bestimmte Richtung durch Anlegen eines Signals an einen Kippeingang (Setzeingang) lic bewirkt werden kann und deren Umkippen in die andere Richtung (Löschen der Kippstufe) durch Anlegen eines Signals an einen zweiten Kippeingang (Löscheingang) llderfolgen kann.

Das Signal am logischen Ausgang 7a des Zählers 7 wird einmal in einem Inverter 100 invertiert und über ein logisches Koinzidenz- oder Antikoinzidenzgatter 12. das durch den Zustand »0« oder »1« am Ausgang Ua des Flipflops 11 gesteuert wird, am Kippeingang llcdes Flipflops 11 eingespeist. Das Gatter 8 wird durch den Zustand des zweiten Ausgangs 11£> des Flipflops 11 gesteuert. Die Gatter 12 und 8 sind äquivalent zu UND-Gattern (die Gatter 8b und 12£> sind Inverter und die Gatter 8cund 12csind NAND-Gatter).

Das Bezugsglied enthält entsprechend dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel einen Taktgenerator 13, der identisch mit dem Meßgenerator aus dem Oszillator 6, und den Kondensatoren 1 und 2 aufgebaut ist, und dessen Ausgang 13a über ein UND-Gatter 14 an den Eingang eines Zweirichtungszählers 15 angeschlossen ist, der in Verbindung mit der Meßanordnung derart angeordnet ist, daß er die vom Taktgenerator 13 abgegebenen Impulse während der gesamten Dauer der Zählung der vom Meßgenerator aus dem Oszillator 6 und den Kondensatoren 1 und 2 abgegebenen Impulse durch den Meßzähler 7 entsprechend dem ersten Kondensator 1 vorwärts zählt, und daß er die danach vom Taktgenerator 13 abgegebenen Impulse rückwärts zählt, bis der Wert Null erreicht ist. Der Zweirichtungszähler 15 gibt an seinem Ausgang 15a einen logischen Impuls ab, dessen Dauer die gesamte Zeitdauer umfaßt, während der der Zweirichtungszähler 15 arbeitet (das heißt beim Vorwärtszählen und beim Rückwärtszählen). Bei dem gezeigten Beispie! ist ein Inverter 16 zum

Gleichrichten des negativen Impulses am Ausgang 15a derart angeschlossen, daß ein Impuls F nach Fig. 3 entsteht.

Der Vergleicher ist hier durch ein EXKLUSIV-ODER-Gatter 17 dargestellt, das an seinen Eingängen 17abzw. 17ftden Meßimpuls Fbzw.den Bezugsimpuls F aufnimmt. Der Ausgang 17c des Gatters 17 ist an den Steuereingang eines UND-Gatters 18 angeschlossen, das den Taktgenerator 13 mit einem Anzeigezähler 19 verbindet, dessen Ausgang an eine numerische Anzeigeeinrichtung 20 angeschlossen ist.

Als Synchronisierglied für den Längen- oder Wegmesser ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Löschimpulsgenerator 21 vorgesehen, dessen Ausgang an die Löscheingänge 17i>, lic/, ί 56 und 19a des Zählers 7, des Flipflops 11, des Zweirichtungszählers 15 und des Anzeigezählers 19 angeschlossen ist, ebenso an die Steuereingänge des Gatters 14 und an ein UND-Gatter 22, das den Meßgenerator an den Eingang des Meßzählers 7 anschließt. In der Verbindung des .Löschimpulsgenerators 21 mit dem Gatter 22 liegt ein UND-Gatter 23, das durch den Zustand am Ausgang 8a des Gatters 8 gesteuert wird. In der Verbindung des Generators 21 mit dem Gatter 14 liegt gleichermaßen ein UND-Gatter 24, das durch den Zustand des Bezugssignals oder Bezugsimpulses F steuerbar ist, der am Ausgang des Inverters 16 auftritt. Zwischen dem Generator 21 und dem Löscheingang 15£> des Zweirichtungszählers 15 schließlich liegt ein Inverter 103. Das EXKLUSIV-ODER-Gatter 17 ist in üblicher Weise im wesentlichen aus Invertern 17a und NAND-Gattern 17eaufgebaut.

Die Arbeitsweise des dargestellten Längen- oder Wegmessers läßt sich wie folgt beschreiben:

Zu einem ersten Zeitpunkt ist der Kondensator 1 über den Transistor 9 an den Oszillator 6 angeschlossen, wobei die Basis des Transistors auf einem geeigneten Potential liegt, das dem Zustand »1« (Anfangszustand) am Ausgang Hades Flipflops entspricht. Die Ausgangsimpulse des Meßgenerators 6, 1 laufen durch das geöffnete Eingangsgatter 22 und speisen den Zähler 7. Gleichzeitig gibt der Taktgenerator 13 Impulse an den Zweirichtungszähler 15 ab, und zwar über das geöffnete Eingangsgatter 14.

In einem zweiten Zeitpunkt, wenn der maximale Zählerstand (eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen) des Zählers 7 erreicht ist, wird die Zählung automatisch auf Null zurückgesetzt. Das am Ausgang la auftretenden Signal ß geht von »1« auf »0« (Rechteckimpuls Si) und ändert dadurch den Zustand des Flipflops 11 (der Zustand am Ausgang 11a ist »0«, der Zustand am Ausgang 11ύ ist »1«). wodurch der Kondensator 2 an den Oszillator 6 angeschaltet und die Arbeitsweise des Zählers 15 über die Leitung 101 vorn Vorwärlszählen zum Rückwärtszählen geändert wird.

Das Signal Farn Ausgang 8a des Gatters 8 befindet sich seit Zyklusbeginn ebenso wie das Signal Fauf »I« das Signal Fgeht auf »0« zurück, wenn der Zähler 15 in Zuge des Rückwärtszählens den Stand Null ereicht.
Das Signal C (am Ausgang 17c des Gatters 17) gib'

•j den Befehl zum Öffnen des Verbindungsgatters 18, se daß Impulse aus dem Taktgenerator 13 in der Anzeigezähler 19 einspeisbar sind. Das Signal C wire am Ausgang des EXKLUSIV-ODER-Gatters 17 irr wesentlichen aus den Signalen E und F erhalten; die

κι Dauer 7~"des Signals C ist somit die Differenz zwischcr der Dauer Tdes Signals Fund der Dauer Fdes Signals F.

Zur Zeit f = 0 geht das Signal A am Ausgang des Löschimpulsgenerators 21 vom Zustand »1« in den

is Zustand »0« über, und zwar in sehr kurzer Zeit. Der Übergang von A in den Zustand »0« dient zum Löschen des Flipflops 11 (11a = »l«) und des Anzeigezählers 19, ebenso zum »1«-Setzen des niedrigstwertigen Bits im Zweirichtungszähler 15.

Wenn der Zähler 7 das Zählende erreicht, geht das Signal B vom Zustand »1« in den Zustand »0« über und ändert dadurch den Zustand des Flipflops 11 (llö = »1«) Dadurch arbeitet der Zweirichtungszähler 15 als Rückwärtszähler, so daß dann der Belag des Kondensa-

r> tors 2 an den Oszillator 6 angeschlossen ist; der Zähler 7 beginnt seinen zweiten Zählerzyklus. Die Zeitdauer av; dieses neuen Zyklus kann länger oder kürzer sein, da der Wert V₂ des Kondensators 2 verschieden vom Wert V\ des Kondensators 1 sein kann, was einen Frequenzunterschied für die Impulse des Meßgenerators nach sich zieht. Unterdessen benötigt der Zweirichtungszähler 15, der ständig durch den Taktgenerator 13 gespeisi wird, zum Löschen die gleiche Zeit av\ wie jene, um in den Zustand zu gelangen, in dem er sich im Augenblick

Jj der Änderung zwischen Vor- und Rückwärtszählen befand.

Wenn der Zweirichtungszähler 15 den Stand Null erreicht, geht das Signal F von »1« auf »0«, und das EXKLUSIV-ODER-Gatter 17 öffnet das Eingangsgat-

■io tcr 18 des Anzeigczählcrs 19 bis zu dem Augenblick, da das Signal B auf Null zurückkehrt, wodurch das Zählende des Zählers 7 angezeigt wird. Die Öffnungszeit des Eingangsgatlcrs 18 des Anzeigezählers 19 entspricht somit dem Unterschied Τ— Τ zwischen der

ΑΊ dem Kondensator 1 entsprechenden ersten Füllzeit 7 für den Zähler 7 und der dem Kondensator 2 entsprechenden zweiten Füllzeit T'. Eine Anzahl von Impulsen, die dann die gemessene Abmessung darstellt gelangt über das Gatter 18 an den Anzeigezähler 19 und

■>n an die Einrichtung 20 zum Lesen oder Anzeigen des Zustandes dieses Zählers.

Wegen des ähnlichen Aufbaues für den Meßgenerator und den Taktgenerator 13 und wegen der Symmetrie der Betriebsarten für diese Generatoren kann der

ν. Einfluß von Abweichungen, z. B. Drift, auf einen annehmbaren Wert herabgesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Längen- oder Wegmesser mit einem Differentialfühler aus zwei elektrischen Bauelementen, die ■> mit einem gemeinsamen Wegtaster zusammenwirken und bei dessen Relativverschiebung eine gegenseitige Änderung in einem ihrer Parameter erfahren, und mit einer elektronischen Schaltung zum Umsetzen der Eigenschaften des Differential- to fühlers in ein Meßsignal und zum Anzeigen des aus diesem Meßsignal gewonnenen. Meßergebnisses, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung einen Meßgenerator (6 bis 12) zum Erzeugen eines ersten digitalen Meßsignals und eines zweiten digitalen Meßsignals (av\ bzw. av₂) mit dem jeweils erfaßten Parameter (V| dzw. V2) je eines der beiden Bauelemente (1,2) des Differentialfühlers (1 bis 5) entsprechender Dauer, einen Komparator (13 bis 17) zum Erzeugen eines der Differenz zwischen der Dauer der ersten und des zweiten Meßsignals entsprechenden Vergleichssignals und eine Anzeigeeinrichtung (19,20) zum Anzeigen einer der Verschiebung eines beweglichen Teils (3) des Differentialfühlers entsprechenden und aus dem Vergleichssignal abgeleiteten Größe enthält.

2. Längen- oder Wegmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung im Rahmen des Meßgenerators (6 bis 12) eine Meßanordnung zu'.n Erzeugen eines in seiner Jo Dauer (T) der Summe (av\+av₂) aus den beiden Meßsignalen (av, und av₂) entsprechenden Meßimpulses (E), im Rahmen des !Comparators (13 bis 17) ein Bezugsglied zum Erzeugen eines in seiner Dauer (T') dem doppelten Wert (2 av\) des ersten Meßsignals (av\) entsprechenden Bezugsimpulses (F) und ein Synchronisierglied zum gleichzeitigen Darstellen der Anstiegsflanken für den Meßimpuls (f^und den Bezugsimpuls (FJenthäit.

3. Längen- oder Wegmesser nach Anspruch 2, 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung einen Oszillator (6), der über einen Umschalter (9 bis 11) nacheinander an das eine oder an das andere der beiden elektrischen Bauelemente (1 und 2) anschließbar ist und mit dem jeweils angeschlossenen Bauelement (1 oder 2) einen Impulsgenerator für die Abgabe periodischer Impulse mit vom Wert des erfaßten Parameters (vi oder v₂) des jeweiligen elektrischen Bauelements (1 oder 2) abhängiger Frequenz und einen Meßzähler (7), der einerseits über einen logischen Ausgang (7a) am Zählbeginn einen Rechteckimpuls (ßi) abgibt, sobald er mit dem Zählen beginnt, und andererseits auf Null zurückkehrt und an seinem Ausgang (7a) einen zu dem vorhergehenden Rechteckimpuls (Si) gegensinnig gerichteten Rechteckimpuls (B₂) am Zählende abgibt, sobald er eine vorbestimmte Anzahl von Impulsen aus dem Impulsgenerator gezählt hat, enthält und der Umschalter (9 bis 11) einerseits das zweite elektrische Bauelement (2) an den Oszillator t>o (6) angeschaltet, sobald der Meßzähler (7) die vorbestimmte Anzahl an Impulsen aus dem Impulsgenerator gezählt hat, und andererseits das erste elektrische Bauelement (1) zum Steuern eines an den Ausgang (7a) des Meßzählers (7) angeschlossenen n"> Gatters (8) anschaltet.

4. Längen- oder Wegmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugsglied einen Taktgenerator (13), dessen Ausgang (13a) an einen Zweirichtungszähler (15) angeschlossen ist, der die Impulse des Taktgenerators (13) während der dem ersten elektrischen Bauelement (1) zugeordneten Dauer (T) der Zählung der Impulse aus dem Impulsgenerator durch den Meßzähler (7) in Vorwärtsrichtung zählt und danach die impulse des Taktgenerators (13) rückwärts zählt, bis der Zählerstand Null erreicht ist, wobei der Zweirichtungszähler (15) an einem Ausgang (15a) ein gleiches logisches Signal als Meßimpuls ^EJ abgibt, solange er zählt.

5. Längen- oder Wegmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (17) ein EXKLUSIV-ODER-Gatter ist, das den Meßimpuls (E) und den Bezugsimpuls (F) aufnimmt.

6. Längen- oder Wegmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgenerator (6 bis 12) und der Taktgeneralor (13) gleich aufgebaut sind.