DE2546197C3

DE2546197C3 - Elektromechanischer Meßumformer

Info

Publication number: DE2546197C3
Application number: DE2546197A
Authority: DE
Inventors: Carl Torbern Lidingoe Teiling (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-15
Publication date: 1979-12-13
Also published as: BE834548A; SE7412929L; DE2546197A1; GB1528794A; DE2546197B2; US4047087A; SE385972B

Description

2. Elektromagnetischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rückkopplungszweig des Verstärkers (5) nur den zweiten Widerstand (R 2) enthäk.

i. Elektromagnetischer Mißumformer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der Widerstand (R 2) im zweiten Riickkopplungszweig des Verstärkers (5) halb so groß bemessen ist wie der Widerstand (R 1) im ersten Rückkopplungs/wcig des Verstärkers (5).

4. Elektromechanischer Meßumformer nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rückkopplungszweig des Verstärkers (5) außer dem /weiten Widerstand (R 2) eine induktiv mit der Primärwicklung (1) gekoppelte weitere Wicklung (7) enthält.

'). Elektromechanischer Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R 1) im ersten Rückkopplungs/weig des Verstärkers (5) doppelt so groß bemessen ist wie der Widerstand (R 2) im zweiten Rückkoppliingszweig des Verstärkers (5).

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Meßumformer zur Umformung mechanischer analoger Winkelinformation in proportionale elektrische Größen, wobei er eine Primärwicklung und mindestens eine erste und eine /weite Sekundärwicklung aufweist, von denen die Sekundärwicklungen senkrecht zueinander angeordnet und relativ zur Primärwicklung drehbar sind.

In der Meß- und Regelungstechnik besteht vielfach Bedarf an elektromechanischen Umformern oiler Wandlern /um Umsetzen von analog anfallenden mechanischen Daten in elektrische Signale oder Daten. Solche mechanische Daten können speziell eine Winkelinformation darstellen, wobei das üblichste Wandlerelement ein Potentiometer ist. In seiner gebräuchlichsten Form liefert ein solches Potentiometer eine Ausgangsspannung, die eine lineare Funktion der

ι mechanischen Drehbewegung ist, die erfaßt werden soll. Ein Nachteil dieser Potentiometer liegt darin, daß sie einen beweglichen Schleifkontakt aufweisen, der auf einer als Spannungsteiler geschalteten Widerstandsspule entlanggleitet. Dabei ist es nur schwer möglic;;, eine

tu hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Auflösung zu erreichen, und die erzielbare Genauigkeit ist nur relativ gering.

Ein weiteres elektromagnetisches Wandlerelement stellt der Drehinduktor dar. Diese Induktoren gibt es in

ι ϊ vielen verschiedenen Bauformen, wobei eine davon eine normale Primärwicklung und eine Sekundärwicklung aufweist, die mechanisch so angeordnet sind, daß sich bei einer Drehung des Rotors eine lineare Ausgangsspannung ergibt.

jo Die gebräuchlichste Ausführung mit der einfachsten Wicklungstechnik ergibt eine trigonometrische Ausgangscharakteristik in Entsprechung zur Drehbewegung und mit Proportionalität zum Sinus und/oder Cosinus des Drehwinkels.

j-, Bei manchen Präzisionsausführungen jedoch ist eine sogenannte Steuerwicklung vorgesehen, um einen Proportionalitätsfakto; von hoher Genauigkeit zu erhallen. Dies wird dadurch erreicht, daß mit einer Rüekkopplungsschleife gearbeitet wird, um ein konstan-

Ui tes Verhältnis der Sekundärwindungen zu den Primärwindungen zu erhalten. Die vorerwähnten Bauformen mit einfacher Wicklungstechnik lassen sich jedoch nicht mit solchen Steuerwicklungen ausstatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

r, Meßumformer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der eine einer W'nkeldrehung proportionale Spannung abgibt und einen variablen Proportionalitätsfaktor von hoher Zuverlässigkeit aufweist.

Die gestellte Aufgabe ist erfindunpsgemäß durch die

in Vereinigung folgender Merkmale gelöst:

a) die Primärwicklung ist mit liem Ausgang eines Verstärkers verbunden, der mit einem Eingang an einer Eingangsspannung liegt, deren Verhältnis /u einer Spannung über der /weilen Sekundärwick-

'' hing ein lineares Mal! für die Drehung der

Sekundärwicklungen relativ zur Primärwicklung bildet:

b) der Verstärker besii/t zwei Rückkopplungs/weige, von denen der erste die Primärwicklung, die

'" induktiv damit gekoppelte erste Sekundärwicklung

und einen ersten Widerstand und der /weite einen /weiten Widerstand enthalt, an dem eine der Ausgangsspannung des Verstärkers im wesentlichen gleiche oder ihr proportionale Spannung anliegt.

Durch die Erfindung ist ein Meßumformer geschaffen, der aus einer cingangsseitig /!!geführten Winkelinformation in Form einer mechanischen Drehbewegung wi eine elektrische Aiisgangsspanniing gewinnt, die der eingangsseiligen Winkelinformalion proportional ist. wobei tier Proporlionalitaisfaktor variiert werden kann

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in deti I Inieransprüclieii im ein/einen > ι gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

Cig. I ein Schaltbild eines dem ersten AusführuiiL's·

bejspiel entsprechenden elektromechanischen Meßumformers und

Fig.2 eine Ausführungsvariante desselben Meßumformers (in gleicher Darstellung wie F i g. I).

Der in Fi g. I dargestellte Meßumformer besitzt eine Primärwicklung 1 und eine erste und eine zweite Sekundärwicklung 2 bzw. 3. Bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 1 steht die Primärwicklung 1 fest und die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind drehbar, jedoch ist selbstverständlich auch die umgekehrte Anordnung möglich. Die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind senkrecht zueinander angeordnet und lassen sich relativ zur Primärwicklung 1 um eine Achse 4 drehen, wie dies in F i g. I durch einen Doppelpfeil Sangedeutet ist.

Die Primärwicklung 1 ist elektrisch zwischen den Ausgang eines Verstärkers 5 und ein festes Potential wie beispielsweise das Nullpotentiai eingeschaltet. Die Sekundärwicklungen 2 und 3 sind ebenfalls mit einem Ende an das feste Potential, das Nullpotential, angeschlossen, und das zweite Ende der ersten Sekundärwicklung 2 ist mit dem Eingang des Verstärkers 5 verbunden. Der Widerstandswert der ersten Sekundärwicklung 2 und des gesamten Zweiges der Schaltung, mit dem diese Sekundärwicklung 2 gekoppelt ist, ist in Fig. I mit R 1 bezeichnet. Weiter besitzt der Verstärker 5 eine Rückkopplungsschleife mit einem Widerstand R 2.

Der Eingang des Verstärkers 5 wird über einen Widerstand 6 aus einer Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung KI gespeist.

Wie obenerwähnt, ist ein Ende der Sekundärwicklung 3 auf Nullpotential gelegt, während das andere Ende dieser Sekundärwicklung 3 zu einer Ausgangsklemnie geführ; ist, an der eine Spannung V2 abnehmbar ist. Diese Spannung V2 «,teilt also die Spannung über der Sekundärwicklung } dar. Der Drehwinkel s für die Drehung der Sekundärwicklungen 2 und } relativ zur Primärwicklung 1 bestimmt sich aus den Zusammenhängen zwischen den beiden Spannungen V2 und Kl, wie im folgenden noch mathemalisch hergeleitet wird.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach F i g. I insoweit, als die zweite Sekundärwicklung J in F i g. 2 nicht mehr auch galvanisch, sondern nur noch mechanisch mit der ersten Sekundärwicklung 2 gekoppelt ist und der Verstärker 5 eine induktive Rückkoppliingssehleife mit einer feststehenden weiteren Sekundärwicklung 7 aufweist, die parallel zur Primärwicklung I angeordnet ist. Der Widerslandswert dieses Rüekkopplungszwciges i«,t in F i g. 2 mit R 2 bezeichne! Der Zweck dieser feststehenden Sekundärwicklung 7 IaIJl sich aus unten folgenden Erläuterungen ersehen.

Die Darstellungen in der Zeichnung zeigen nur zwei von vielen weiteren Ausfiihrungsmöglichkeiten. so kann der Verstärker 5 beispielsweise als Spannungsverstärker geschaltet sein, wobei die Fingangsspanming Vl an einem Eingang eingespeist wird und die Widerstände R I und R 2 am /weiten Eingang liegen oder die Wicklungen I und 2 oder 7 und 2 in geeigneter Weise in Serie geschallet sind.

D;is Verhältnis der jeweiligen Seknnclürwitultmgen /n ilen Priniiirwindungcn isl in beiden dargestellten Hcispiclcn so gewählt, iliilt die Ausgiingsspannung ims der ersten Sekundärwicklung 2 dem Cosinus des Drehwinkels s proportional ist. während die Ausgangs-Spannung aus der /weiten Sekundärwicklung 5 dem Sinus des Drehwinkels s proportional ist. Die dem Drehwinkel s = 0 entsprechende Winkelstellung ist dabei beispielsweise als die Stellung definiert, in der die Aiisgangsspannung aus der zweiten Sekundärwicklung 3 Null ist.
Für die folgenden Rechnungen sollen die Leitwerte

eingeführt werden.

Dann ergibt sich für eine Spannung Vi über der Primärwicklung 1, die Eingangsspannung Kl für das Verstärkersystem und den Drehwinkel s folgender Zusammenhang:

V3=Vi

Gl + GI cos.v

wobeiG 1 und G2 jeweils die Gesamtleitwerte für die entsprechenden Schaltungszweige sind.
:ii Weiter gi'.t für die Spannung K2 über der zweiten Sekundärwicklung 3:

K2 = V 2, uns =

Kl · sin .s
G'2 + Gicoss

Durch Auswahl unterschiedlicher Werte für die Widerstände Ri und R 2 lassen sich unterschiedliche Charakteristiken für das Verhältnis V2IVX erhalten.

Um der Überschaubarkeit willen werden diese in Charakteristiken so normiert, daß dL- Neigung bei O = I wird, d. h. daß G 1 + G 2 = 1 gilt.

Es kann von Vorteil sein, mit dem wichtigen Sonderfall zu arbeiten, daß G 2 gleich oder nahezu gleich 2 G 1 ist. Für diesen Fall ergibt sich für das r> Verhältnis

12

j - = s · constant.

in Wenn nun Gl + G 2 gleich 1 ist. so wird die Konstante in der vorstehenden Beziehung etwa gleich 1. und «vir erhalten das gewünschte Verhältnis.
Dies wird in folgender Weise erhalten:
Eine Reihenentwicklung von sin j bzw. cos .«führt zu:

I₁ I ,
«»' = *-(,* ^f ,2„^s

b/w.

cos .s·-

|);i",ii! erhalten wir:

12
Il

<r .s⁴ ft ^f 72

I !

1 \

¹²⁰

o)

4·*

I 20 Ί-

12(1 72
Dies liiHt sich auch schreiben

0.0055.

1 2
Il

. Il * Kts)).

wobei K(s) kleiner ist als -0.0055 · V. In der Praxis beträgt die Abweichung von einer exakt linearen Funktion nur 0.0018 für einen Drehwinkel .s = 45 .

F i g. 1 leidet in manchen Fällen unter dem Mangel, daß das Verhältnis der Primärwindungen /u den Sekundärwindungen mit der Temperatur variiert, und dies IaHt sich nur /u einem bestimmten Anteil kompensieren. Wenn diese Schwäche der Ausführungsform nach fig.l mehl hingenommen werden kann, muß ein f'rä/isionsiimfortner nach F i g. 2 mit einer weilt feststehenden Sekundär« ieklting gewählt werden.

Die Wicklung 7 führt ebenso wie die W'cklung I ι g. 2 nicht viel Strom, und die temperalurbedinj Widerstandsänderungen werden daher nicht merk Außerdem gibt es keine Veränderung im Verhältnis ersten Sekundärwindungen /ti den zweiten Sekun w indungen.

Rei einem Dimensionicrungsbeispiel können Widerstände in F i g. I die folgenden Werte erhalten

Kl
K2

lOdku

Widerstand 6 M\o7 ku

!)cr Verstärkt::' 5 k:üi!> ein Mcdc" ^N;)|i Semiconductor LM 201 sein.

Unter Verwendung der oben angegebenen Ausd kc ergibt dies

I 2

Fl ^S

liier/u I Bhiit/cichnuiiiicn

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetischer Meßumformer zur Umformung mechanischer analoger Winkelinformation in proportionale elektrische Größen, wobei er eine Primärwicklung und mindestens eine erste und eine zweite Sekundärwicklung aufweist, von denen die Sekundärwicklungen senkrecht zueinander angeordnet und relativ zur Primärwicklung drehbar sind, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die Primärwicklung (1) ist mit dem Ausgang eines Verstärkers (5) verbunden, der mit einem Eingang an einer Eingangsspannung (V 1) liegt, deren Verhältnis zu einer Spannung (V2) über der zweiten Sekundärwicklung (3) ein lineares Maß für die Drehung der Sekundärwicklungen (2 und 3) relativ zur Primärwicklung (1) bildet;

b) der Verstarker (5) besitzt zwei Rückkopplungszweige, von denen der erste die Primärwicklung (1), die induktiv damit gekoppelte erste Sekundärwicklung (2) und einen ersten Widerstand (R 1) und der zweite einen zweiten Widerstand (R 2) enthält, an dem eine der Ausgangsspannung des Verstärkers (5) im wesentlichen gleiche oder ihr proportionale Spannung anliegt.