DE2743903C2

DE2743903C2 - Vorrichtung zum Ermitteln und Anzeigen der Winkelstellung eines um eine Drehachse drehbaren plattenförmigen Bauteils, insbesondere des Zeigers eines Meßgerätes

Info

Publication number: DE2743903C2
Application number: DE2743903A
Authority: DE
Inventors: Arthur T. Raleig'h N.C. Shankle
Original assignee: Cain Encoder Co
Current assignee: Cain Encoder Co
Priority date: 1976-09-30
Filing date: 1977-09-29
Publication date: 1986-06-12
Also published as: FR2366540A1; JPS6255602B2; BR7706567A; JPS5394966A; CH636195A5; IT1085282B; US4429308A; DE2743903A1; AU2923477A; FR2366540B1; GB1592694A; AU520894B2; CA1105088A; CA1162612B; MX145984A

Description

₂₅ r_auOon(0) = r_mi„ + —(r_max — r_mm) + dsin Θ

und

rinnen {Θ) = r_mm + — (r_mßx — r_mi„) — c/sin θ

bestimmt sind, in denen

— raußen (Θ) den Verlauf des radialen Abstands zwischen der Drehachse und dem äußeren Rand (18) der Elektrode bzw. des Pols abhängig von dem Zentriwinkel θ innerhalb des Bereichs OSOS^, über den sich die Elektrode bzw. der Pol erstreckt,

35 — r/n_nc„ ((9) den Verlauf des radialen Abstands zwischen der Drehachse und dem inneren Rand (20) der

Elektrode bzw. des Pols abhängig von dem Zentriwinkel Θ innerhalb des Bereichs OS Θ^π, über den ; sich die Elektrode bzw. der Pol erstreckt,

— r_mi„ den Radius des kleineren Kreises durch die achsnahen Enden der Bögen,
:'■ — r_max den Radius des größeren Kreises durch die achsfernen Enden der Bögen,

40 — Adenin rad gemessenen Azimutwinkel und

— c/einen die maximale Breite jeder Elektrode bzw. jedes Pols bestimmenden Parameter bezeichnet.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln und Anzeigen der Winkelstellung eines um eine Drehachse drehbaren plattenförmigen Bauteils, insbesondere des Zeigers eines Meßgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Vorrichtung ist durch die US-PS 35 00 365 bekannt.

so In dieser US-PS 35 00 365 ist die Verwendung sich drehender magnetischer bzw. elektrischer Felder bei einer Vorrichtung zur Fernmessung der Lage eines Meßgerätzeigers oder eines anderen sich drehenden Gegenstandes beschrieben. Für die vorliegende Erfindung ist der Fall der Verwendung eines magnetischen Feldes dem Fall der Verwendung eines elektrischen Feldes direkt analog, und in beiden Fällen werden ähnliche Wirkungen erzielt. Die folgende Beschreibung befaßt sich zum größten Teil mit einer Elektrodenanordnung, sie gilt aber

55 sinngemäß auch für eine Anordnung von magnetischen Polstücken.

Zu der bekannten Vorrichtung zum Ablesen eines Meßgeräts nach der an erster Stelle genannten US-PS 35 00 365 gehört eine kreisrunde Anordnung von Elektroden, die in einer Ebene liegen, wobei eine Detektorelektrode in der Mitte der Anordnung und in der gleichen Ebene angeordnet ist. Durch Anlegen einer mehrphasigen Spannung an die aufeinander folgenden Elektroden der kreisrunden Anordnung wird ein elektrisches Feld

60 erzeugt, das sich praktisch in dem benachbarten Luftraum dreht. Die im Drehpunkt des elektrischen Feldes angeordnete Detektorelektrode befindet sich in einem Bereich konstanter Feldstärke, und daher führt jede Messung des elektrischen Potentials zu einem konstanten Wert, wenn das elektrische Feld umläuft. Die Elektroden sind in unmittelbarer Nähe einer Meßgerätskala auf ihrer Vorderseite so angeordnet, daß die Detektorelektrode einem Ende der Welle des Meßgeräts benachbart ist und daß die die Detektorelektrode umgebenden

65 Elektroden der Kreisbahn gegenüberliegen, auf der sich der Zeiger des Meßgeräts bewegt. Daher taucht der Zeiger in das rotierende elektrische Feld ein, so daß er das Feld »abtastet« und im Wege der kapazitiven Kopplung die jeweils angetroffene Feldstärke auf die nahe dem anderen Ende des Zeigers angeordnete Detektorelektrode überträgt. Das rotierende elektrische Feld ist von solcher Art, daß das freie Ende des Zeigers einer

sinusförmigen Veränderung der Feldstärke ausgesetzt ist, so daß die Detektorelektrode ebenfalls eine sinusförmige Veränderung des elektrischen Potentials wiedergibt. Die elektrische Phase des Potentials an der Detektorelektrode wird durch die Winkelstellung des Zeigers gegenüber einer Bezugsstellung bestimmt, bei der es sich gewöhnlich um die Nullstellung handelt, und ein Phasenvergleich zwischen diesem Potential und dem Potential, das auf irgendeine der Elektroden der kreisrunden Anordnung wirkt, d. h. die »Bezugselektrode^, liefert ein Maß für die Stellung des Meßgerätezeigers.

Die vorstehende Beschreibung gih für eine Vorrichtung für die Fernmessung der jeweiligen Stellung der Zeiger von Meßgeräten oder von anderen sich drehenden Gegenständen, wie sie in den genannten US-Patentschriften beschrieben sind, und bei denen es natürlich erwünscht ist, daß sich das elektrische Feld gleichmäßig dreht. Mit anderen Worten, der Feldvektor soll innerhalb vernünftiger Grenzen eine konstante Amplitude haben, und er soll mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Winkelgeschwindigkeit umlaufen. Wäre dies nicht der Fall, würde die Phasendifferenz zwischen den Potentialen der Detektorelektrode und der Bezugselektrode nicht einfach proportional zur jeweiligen Stellung des Zeigers sein, sondern sie würde sich bei Veränderungen der Amplitude bzw. der Drehgeschwindigkeit entsprechend vergrößern oder verkleinern. Dies würde zur Folge haben, daß die Vorrichtung innerhalb bestimmter Winkelbereiche weniger empfindlich sein würde als in anderen Winkelbereichen, und wenn kein Ausgleich durch eine Feldkorrektureinrichtung oder eine elektronische Einrichtung erfolgte, könnte die Brauchbarkeit der Vorrichtung erheblich beeinträchtigt werden.

An sich sind bei zylindrischen Luftspalten von dynamoelektrischen Maschinen modellierte Pole grundsätzlich bekannt. Pole mit Modellierung der Dicke in der Luftspaltebene sind aus den US-Patentschriften 32 81 655, 31 52 261 und 26 83 830 und solche mit Modellierung der Höhe senkrecht dazu aus der DE-OS 20 32 472 und der DE-AS 12 06 504 bekannt.

Der Erfindung liegt ausgehend von der US-PS 35 00 365 die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit der Anzeige eines Meßgerätes im Betriebsbereich möglichst konstant zu halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß die das Feld erzeugenden Elektroden eine solche Form erhalten, daß sich der Kopplungskoeffizient zwischen dem Meßgerätzeiger und jeder einzelnen Elektrode entsprechend einer Sinusfunktion in Abhängigkeit von dem Winkel verändert, um den sich der Zeiger des Meßgeräts dreht, läßt sich, wie Versuche gezeigt haben, eine sehr gute Gleichmäßigkeit der Winkelanzeigeempfindlichkeit erzielen.

Betrachtet man den Zeiger und den ihm benachbarten Teil einer Elektrode als Kondensator mit paralleln Belegen, so ergibt sich die Kapazität aus dem Ausdruck

wobei ε die Dielektrizitätskonstante, A die wirksame Fläche der beiden Belege und Sden Abstand zwischen den Belegen bezeichnet.

Um die sinusförmige Veränderung des Kopplungskoeffizienten zu erreichen, sind nach dem Anspruch 2 vorteilhaft die Oberseiten der Elektroden bzw. Pole in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und die Elektroden bzw. Pole so geformt, daß sich die von dem plattenförmigen Bauteil überdeckte Fläche in Abhängigkeit von dessen Winkelstellung sinusförmig ändert. Eine derartige Fläche ergibt sich, wenn die äußeren und inneren Ränder der Elektrodenflächen entsprechend den in Anspruch 4 angegebenen Gleichungen ausgebildet sind. Diese flachen Elektroden sind einfach herstellbar und ergeben eine geringe Bauhöhe.

Eine zweite vorteilhafte Möglichkeit, die sinusförmige Veränderung des Kopplungskoeffizienten zwischen dem Zeiger und jeder Elektrode zu erreichen, besteht nach Anspruch 3 darin, daß sich der Abstand der Oberseite jeder Elektrode bzw. jedes Pols von dem plattenförmigen Bauteil in Abhängigkeit von dessen Winkelstellung sinusförmig ändert. Es sei bemerkt, daß die Wahl der Elektrodenform nur eine der Möglichkeiten ist, die sich bieten, um die gewünschte sinusförmige Veränderung der Kapazität herbeizuführen. Es können auch andere Mittel angewendet werden; z. B. könnte man das dielektrische Material oder andere Eigenschaften variieren, um eine Veränderung der Kapazität herbeizuführen.

Die beiden vorstehend beschriebenen Gestaltungsmöglichkeiten schließen sich nicht gegenseitig aus, und es ist möglich, Elektroden zu konstruieren, bei denen die radiale Breite und die Höhe jeweils so kombiniert sind, daß die Grundbedingung der Erfindung erfüllt ist, d. h., daß jede das Feld erzeugende Elektrode eine solche Form hat, daß bei einem beliebigen Zentriwinkel 6>das Verhältnis zwischen der radialen Breite und der Höhe der Stirnfläche zum Sinus des Winkels Θ proportional ist. Dabei ist der Zentriwinkel 6>der Winkel, über den sich das Anfangsende der Elektrode bzw. des Polstücks bis zu dem jeweiligen Meßpunkt längs der Elektrode bzw. des Polstücks erstreckt. Ferner läßt sich die gleiche Wirkung erzielen, wenn man das Material der Zwischenschicht so ausbildet, daß sie die Dielektrizitätskonstante sinusförmig in Abhängigkeit vom Zentriwinkel Θ verändert; alternativ oder zusätzlich kann man die Fonn der Elektroden entsprechend wählen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher eriäu- bo tert. Es zeigt

F i g. 1 die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Elektrodenanordnung nach F i g. 1 und eines ihr benachbarten Zeigers eines Meßgeräts;

F i g. 3 eine Draufsicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung; b5

F i g. 3a den Schnitt 3a-3a in F i g. 3;

F i g. 3b einen F i g. 3a ähnelnden Schnitt, aus dem jedoch nur die Form einer einzigen Elektrode A ersichtlich

F i g. 4 die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Polstückanordnung zum Erzeugen eines Magnetfeldes;

F i g. 4a eine Seitenansicht der Polstückanordnung nach F i g. 4;

F i g. 5 die Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer Polstückanordnung nach der Erfindung; und

F i g. 5a den Schnitt 5a-5a in F i g. 5.

In Fig. 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 10 dargestellt, bei der sechs Elektroden 12 von gleichartiger Form auf einer Tragplatte 22 so angeordnet sind, daß sie eine kreisrunde Anordnung bilden, welche eine runde Fühlelektrode 14 in einem Abstand umgibt. Die Elektrodenanordnung 10 arbeitet gemäß F i g. 2 mit dem zu überwachenden Zeiger 24 eines Meßgeräts zusammen. Jede der Elektroden 12 hat eine halbmondförmige Gestalt und erstreckt sich über einen Winkelbereich von ίο 180°. Gemäß Fig. 1 sind die Elektroden 12 miteinander verschachtelt. Zu diesem Zweck sind die Mittellinien 16 der Elektroden auf in gleichmäßigen Winkelabständen verteilten, spiralförmigen oder anders gekrümmten Linien so angeordnet, daß das eine Ende 17 jeder Elektrode auf einen bestimmten Radius liegt, während das andere Ende 19, das von dem Ende 17 durch einen Winkelabstand von 180° getrennt ist, auf einem längeren äußeren Radius liegt. Die verschachtelte Anordnung der Elektroden, die als solche nicht von ausschlaggebender Bedeutung ist, ermöglicht es, den Elektroden die gewünschte Form zu geben, die Elektroden in Abständen voneinander anzuordnen und elektrische Verbindungen zu den radial weiter außen liegenden Enden 19 der Elektroden herzustellen.

Zwar liegt die Mittellinie 16 jeder Elektrode 12 auf einer spiralförmigen Linie, und jede Elektrode erstreckt sich über einen Winkelbereich von 180°, doch variiert der Abstand der äußeren Ränder 18 und der inneren Ränder 20 jeder Elektrode von der Mittellinie 16 innerhalb des Winkelbereichs von 0 bis π entsprechend dem Sinus des Winkels Θ. Mit anderen Worten, es kann angenommen werden, daß der Winkel Θ am inneren Ende 17 jeder Elektrode den Wert Null und am äußeren Ende 19 den Wert π hat. Längs jeder Elektrode weichen der äußere Rand 18 und der innere Rand 20 der Elektrode über den Bereich von 0 bis π entsprechend dem Sinus des Winkels θ von der Mittellinie 16 ab.
Die Gestalt der Ränder 18 und 20 jeder Elektrode 12 ist durch die nachstehenden Gleichungen bestimmt.

rauBen = r_mi„ + — (r_mix - r_mm) + dsm 6>(äußerer Rand)

ri„„en = /w„ + — (/Wn — r_mi„) - d sin 6>(innerer Rand)

Hierin ist

/Wn der Radius beider Bögen bei θ= Ο

/Wttder Radius beider Bögen bei Θ=π
öder in rad gemessene Zentriwinkel und
d ein Parameter, der die größte radiale Breite jeder Elektrode bestimmt.

In den vorstehenden Gleichungen liefern die beiden ersten Glieder den Verlauf der spiralförmigen Mittellinie 16, während das letzte Glied die Abweichung von der Mittellinie angibt.

Während bei der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform die Elektroden 12 in einer Ebene liegen, wobei nur ihre Breite variiert, zeigen Fig. 3, 3a und 3b eine Ausführungsform, bei der die Breite der Elektroden 32 konstant ist, bei der jedoch die Oberseite jeder Elektrode gegenüber der Hauptebene der Anordnung so nach oben ragt, daß sie sich dem Meßgerätezeiger oder einem anderen zu überwachenden drehbaren Bauteil nähert. Auch in diesem Fall hat die Fühlelektrode 30 eine kreisrunde, ebene Form, während die Bezugselektroden 32 wiederum allgemein halbmondförmig ausgebildet sind. Die Elektroden 32 von konstanter Breite beginnen jeweils an einem inneren Ende 33, sie erheben sich bis zu einem aus F i g. 3b ersichtlichen Scheitel 34, und sie kehren dann wieder zu der Ebene des Bauteils zurück, auf dem die Elektroden angeordnet

so sind, d. h. jeweils an einem Punkt 35. Diese Veränderung der Höhe jeder Elektrode 32 entspricht wiederum dem Sinus des Winkels Θ innerhalb des Bereichs zwischen 0 und „τ, so daß bezüglich der Beziehung zwischen der Oberseite jeder Elektrode 32 und dem zu überwachenden drehbaren Bauteil die Bedingung gilt, daß sich der Absland zwischen dem drehbaren Bauteil, z. B. dem Zeiger 24 und der betreffenden Elektrode, im wesentlichen entsprechend der Funktion l/sin 0 ändert, wie es weiter oben beschrieben ist.

F i g. 4 und 5 zeigen im Gegensatz zu F i g. 1 und 3, wo Vorrichtungen mit Elektroden dargestellt sind, Ausführungsformen mit Polstücken 52 bzw. 52a, die auf Spulen 54 angeordnet sind, so daß eine Anordnung 50 vorhanden ist, die den beschriebenen Elektrodenanordnungen ähnelt und bei welcher sich das Magnetfeld gleichmäßiger dreht und eine in höherem Maße konstante Amplitude aufweist.

Ferner sei bemerkt, daß es gemäß der Erfindung auch möglich wäre, Anordnungen zu schaffen, bei denen die Anordnungen nach Fig.! und 3 so miteinander kombiniert sind, daß sich sowohl die Breite der Elektroden als auch ihre Höhe bzw. ihr Abstand vom Zeiger des Meßgeräts ändert. Die einzige Bedingung, die durch eine solche Anordnung erfüllt werden müßte, besteht darin, daß jede ein elektrisches Feld erzeugende Elektrode bzw. jedes ein Magnetfeld erzeugende Polstück eine solche Form hat daß bei jedem Zentriwinkel θ das Verhältnis zwischen der radialen Breite und der Höhe gegneüber der Grundfläche proportional zum Sinus des Winkels θ ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

ti Patentansprüche:

■τ 1. Vorrichtung zum Ermitteln und Anzeigen der Winkelstellung eines um eine Drehachse drehbaren

f < plattenförmigen Bauteils, insbesondere des Zeigers eines Meßgerätes, bei der vor dein plattenförmigen

•r 5 Bauteil auf einem zur Drehachse des plattenförmigen Bauteils konzentrischen Kreis gleichmäßig verteilt

fi- felderzeugende Mittel angeordnet sind, die mit einer mehrphasigen elektrischen Erregung ein umlaufendes

% Feld erzeugen, das sich bei Änderung der Winkelstellung des plattenförmigen Bauteils ändert und dadurch

ti eine Anzeige für dessen Winkelstellung liefert, dadurch gekennzeichnet, daß als felderzeugende

% Mittel mehrere bogenförmige Elektroden (12) bzw. Pole (52) sich über einen Winkel von etwa 180° erstrek-

i io ken, derart, daß sie etwa wie Stücke von von der Drehachse ausgehenden Spiralen, einander überlappend,

i£. mit ihren achsnahen Enden auf einem kleineren und mit ihren achsfernen Enden auf einem größeren Kreis

N um die Drehachse liegen, und daß sich der Kopplungskoeffizient zwischen dem plattenförmigen Bauteil und

!,■: jeder Elektrode (12) bzw. jedem Pol (52), bezogen auf die Drehachse, sinusförmig ändert.

'(' 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der sinusförmigen Änderung

% 15 des Kopplungskoeffizienten die Oberseiten der Elektroden bzw. Pole in einer gemeinsamen Ebene angeord-

I net sind und die Oberseite jeder Elektrode bzw. jedes Pols so geformt ist, daß sich die von dem plattenförmi-

p gen Bauteil überdeckte Fläche in Abhängigkeit von dessen Winkelstellung sinusförmig ändert.

i;¹; . 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung der sinusförmigen Änderung

■,■· des Kopplungskoeffizienten der Abstand jeder Elektrode (32) bzw. jedes Pols (52) von dem plattenförmigen

p 20 Bauteil sich in Abhängigkeit von dessen Winkelstellung sinusförmig ändert.

'"'. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Ränder (18, 20) jeder Elektrode (12) bzw. jedes Pols (52) den Kurven entspricht, die durch die Gleichungen