DE2807491B2

DE2807491B2 - Kapazitiver Winkelstellungsheber, insbesondere zum Anzeigen von schwerkraftbezogenen Abweichungen einer trägen Masse bezüglich einer Nullposition

Info

Publication number: DE2807491B2
Application number: DE2807491A
Authority: DE
Inventors: Kent Eric Brookside N.J. Erickson
Original assignee: Keuffel & Esser Co 07960 Morristown Nj Us
Current assignee: Keuffel & Esser Co 07960 Morristown Nj Us
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1981-07-02
Also published as: SE439371B; JPS5730206B2; DE2807491A1; US4077132A; JPS53134474A; CH628427A5; GB1573475A; SE7802013L; CA1089948A; DE2807491C3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Winkelstellungsgeber, insbesondere zum Anzeigen von schwerkraftbezogenen Abweichungen einer trägen Masse bezüglich einer Nullposition,

a) mit einer Differentialkondensatoranordnung, bestehend aus zwei stationären Elektroden in Verbindung mit einer beweglichen Mittelelektrode,

65 die mit jeder der beiden stationären Elektroden jeweils einen Kondensator bildet, und

b) mit einem an die Kondensatoren der Differentialkondensatoranordnung angeschlossener. Oszillator.

Ein derartiger kapazitiver Winkelstellungsgeber ist durch die DE-AS 12 97 877 bekanntgeworden.

Im bekannten Fall verstimmt die Differentialkondensatoranordnung eine Brücke, wobei diese Brückenspannung die Oszillatoranordnung beaufschlagt, die so aufgebaut ist, daß sie bei fester Frequenz einen zur Eingangsspannung, d. h. zur verstimmten Brückenspannung, entsprechenden Ausgangsgleichstrom liefert, der als Maß für die Winkelstellungsänderung dient. Im bekannten Fall liegt somit eine Analoganzeige der Winkelstellung vor, da der Ausgangsgleichstrom analog der Winkelstellung ist, wobei der Oszillator mit der festen Frequenz nur dann schwingt, wenn eine Verstimmung der Brücke auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten, eingangs bezeichneten kapazitiven Winkelstellungsgeber so auszubilden, daß eine Winkelstellungsändeiung sehr präzise erfaßt und dargestellt werden kann, wie es z. B. bei der Erfassung der schwerkraftbezogenen Lageänderung der trägen Masse, die mitunter nur geringfügige Änderungen in der Winkelstellung verursachen, notwendig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung durch die Kombination folgender Merkmale:

c) Eine Schalterordnung verbindet abwechselnd die Kondensatoren der Differentialkondensatoranordnung mit dem Oszillator, dessen Frequenz sich jeweils nach der Kapazität des angeschalteten Kondensators bestimmt,

d) der Ausgang des Oszillators ist mit einem Zähler (Meßzähler) verbunden, der von der Differenz der Frequenzen beaufschlagt wird, die von den beiden Kondensatoren dem Oszillator vorgegeben werden,

e) diese Frequenzdifferenz bildet ein digitales Maß für die Abweichungen der Masse.

Bei dem Winkelstellungsgeber nach der Erfindung erfolgt somit die Messung digital und damit hochpräzise. Die Oszillatoranordnung ist dabei anders als im bekannten Fall aufgebaut. Sie erzeugtem vorliegenden Fall eine Spannung, deren Frequenz von der Differenz der Kapazitäten der beiden Kondensatoren der Differentialkondensatoranordnung abhängt; ist diese nicht verstimmt, so sind die beiden Frequenzen gleich, und die angezeigte Differenz ist somit gleich Null. Es wird damit auch im Fall des Abgleiches eine Spannung an der Oszillatoranordnung erzeugt, deren Frequenz ausgewertet wird.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des kapazitiven Winkelstellungsgebers gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine Schnittansicht des Gebers entlang der Linie2-2in Fig. 1 und

F i g. 3 ein Schaltschema der Elektronik, die bei einer Ausführungsform des Gebers gemäß der Erfindung verwendet wird.

Die Fig. 1 zeigt einen Winkelstellungsgeber, der einen Körper 10 mit einem Mittenhohlraum aufweist, in

welchem eine Pendelanordnung 15 mit Band- oder Bügelteilen 14 angehängt ist, die sich durch eine schwerkraftbezogene Reaktion bei irgendeiner Veränderung der Neigungsstellung des Körpers 10 bewegt. Die Pcndclanordnung 15 ist deutlicher in F i g. 2 gezeigt und weist zwei Pendelhalterungsteile 16 auf, in denen jeweils ein Ende der Wellenverlängerungen des Pendelteils 18 angebracht ist, welches als gemeinsame Kondensatorplatte des Gebers dient. Die Halterungen 16 weisen Schlitze 17 auf, wodurch die Möglichkeit n> geschaffen ist, die Wellenenden des Pendelteils 18 mittels Ankerbolzen 19 fest zu haltern.

Die oberen Verlängerungen der Abhängebänder 14 sind durch einen Klemmbügel 12 am Körper 10 befestigt, während die unteren Verlängerungen dieser ΐί Bänder seitlich verrückt und durch untere Klemmbügel 13 an den Pendelhalterungsteilen 16 befestigt sind. Bei diesem Aufbau können sich der Pendelaufbau 15 und insbesondere die gemeinsame Kondensatorplatte 18 frei in dem Hohlraum des Körpers 10 bewegen, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wenn sich der Körper 10 aus einer Schwerpunkthorizontalen irgendwie verschiebt oder herauskippl.

Platten 21 aus Isoliermaterial, wie z. B. Glas oder dergleichen, die in dem Hohlraum des Körpers 10 2^r> mittels Federringen 22 eingebaut sind, tragen in Form beschichteter Metallfilme mit einer Fläche von etwa 650 mm² feste Kondensatorplatten 23, 24, lie als stationäre Elektroden in Verbindung mit der beweglichen Mittelelektrode 18 jeweils einen Kondensator j» bilden. In der beschriebenen Ausführungsform sind die Metallfilme um etwa 125μιη von der gemeinsamen Platte 18 getrennt, wenn sich die Vorrichtung in einem Zustand befindet, der in jedem Geberkondensator einen Kapazitätswert von etwa 50 pF liefert. Verlängerungen r> der Metallfilmüberzüge auf den Platten 21 zu dem zugänglichen Äußeren des Zwischenplattenraumes, wie z. B. bei den Zungen 25, sorgen für Kontakte für Schaltungsleitungen 26,27. Der Erdkontakt für die dem Geber zugeordnete Schaltung erfolgt durch Metallabhängebänder 14, z. B. aus Be-Cu, zu dem leitfähigen Körper 10 hin. Die Größe der Metallfilmüberzüge ist vorzugsweise so beschränkt, daß sie sich nicht mehr als etwa 3 mm von dem Körper 10 erstrecken oder von diesem herausragen, um die Streukapazität minimal zu <r> machen, welche die Linearität des beabsichtigten Ansprechens des Gebers nachteilig beeinflussen könnte. Endabdeckungen 28, von denen eine in F i g. 2 gezeigt ist, schließen den Geber ab und bilden eine unempfindliche, staubdichte Anordnung.

Der kapazitive Winkelstellungsgeber enthält somit eine Einrichtung, bei der eine bewegliche Kondensatorplatte 18 sich unter dem Einfluß der Schwerkraft zwischen zwei zusammenwirkenden Kondensatorplatten 23, 24 bewegen kann, um so veränderliche Kapazitätswerten vorzusehen, die als Anzeige der Winkelstellung der Platte 18 verwendet werden können. Die körperliche Stabilität dieses Gebers wird durch die Merkmale des Aufbaues begünstigt, z. B. die unter einem Winkel vorgesehene Anordnung der Abhängebänder 14, wodurch insbesondere die radiale Bewegung des abgehängten Plattenteils 18 verhindert wird. Ferner sorgt der enge Abstand von ζ. Π. etwa 95 um zwischen dem Umfang der Platte 18 und den Wänden ihres Hohlraumes, wie er durch den Körper 10 und die Platten b^r> 21 gebildet ist, in einfacher und wirksamer Weise sowohl für eine Luftdämpfung als auch für ein mechanisches Gehäuse, um Vibrationsschwingungen des Pendels auszuschalten und einen Schutz gegen Beschädigung durch plötzliches Rütteln oder Stoßen vorzusehen.

Die F i g. 3 zeigt eine Schaltung zur Auswertung der Kapazitätsänderungen der Kondensatoren 18/23 und 18/24, die in einfacher Weise schemalisch als gemeinsame Platte 18 und mit dieser zusammenwirkenden Kondensatorplatten 23, 24 dargestellt sind und mit der elektronischen Schaltung durch Leitungen 26, 27 verbunden sind.

Die Schaltung weist einen Rechteckwellenoszillator 31 auf. Dieser Oszillator ist in der Schaltung mit den Platten 23 und 24 des kapazitiven Winkelstellungsgebers über doppelseitige Schalter 33, 34 mit niedriger Kapazität verbunden. Mittels einer zusätzlichen Schaltung, die weiter unten beschrieben wird, wird abwechselnd jeweils einer der Schalter 33, 34 geschlossen, wodurch der Oszillator 31 sich in der Frequenz verändernde Impulszüge erzeugt, z. B. zwischen etwa 15 bis 25 kHz. und zwar entsprechend dem Maß der Kapazität des jeweils angeschalteten Kondensators. Der Ausgang des Oszillators 31 ist mit dem Taktanschluß Ceines Vorwärts-Rückwärts-Zählers 36 verbunden.

Es ist ein zweiter Rechteckwellenoszillator 32 vorgesehen, der einen Impulszug konstanter Frequenz von etwa 4 kHz vorgibt Er dient als Haupt-Taktgeber in dem Wiükelstellungsgeber. Zur Umschaltung der Schalter 33,34 dient ein Niederfrequenz-Impulszug von etwa 1 Hz, der durch eine herkömmliche Teilerschaltung erzeugt wird; er wird an die Schaltersteuerung 25, die beispielsweise ein Vierstufenschieberegister sein kann, angelegt, die am Ausgang Q\ die Schaltersteuersignale erzeugt, wobei in der einen Zuleitung zu den Schaltern ein Inverter 37 liegt. Somit werden die Kondensatoren 23/18, 24/18 mit einer festen durch die Steuervorrichtung 35 vorgegebenen Taktfolge abwechselnd an den Oszillator 31 angelegt; ist der Geber dabei außerhalb der Nullage, werden vom Oszillator zwei Impulsfrequenzen erzeugt.

Eine mit der Impulsfolge für das Steuern der Schalter synchronisierte Impulsfolge wird an die Vorwärts-Rückwärts-Eingänge U/Ddes Zählers 36 geführt,derart, daß eine Impulsfolge des Oszillators 31 eine Vorwärtszählung mit der ersten Frequenz und die zweite Impulsfolge umgekehrt eine Rückwärtszählung mit der anderen Impulsfrequenz bewirkt. Diese Differenzzählung zeigt somit direkt den Grad der Abweichung aus der richtigen, horizontalen Schwerkraftstellung.

Ferner ist eine Reihe von Impulsen, die mit der Vorwärts/Rückwärtszählerschaltfolge über den Betrieb des Schieberegisters 35 und der logischen Elemente mit dem NOR-Gatter 38 und den Invertern 37, 39 synchronisiert ist, zum Eingangsanschluß L des Zählers 36 geführt, um die Verriegelungsfunktionen zu steuern, welche die Differenzzählung bei dem folgenden Zählerdurchgang auf den neuesten Stand bringt bzw. fortschreibt und hält. Ein Abtastimpuls, der entweder in der Schaltung erzeugt wird oder von einem Befehl aus einer äußeren Elektronik stammt und nicht dargestellt ist, überträgt bzw. setzt die Vorwärts/Rückwärtszählung als Anzeige des Ausmaßes der Abweichung in der Vorrichtung als Digitaldaten zu herkömmlichen Treiberschaltungen und Sichtanzeigeelementen um, die alle allgemein mit 41 bezeichnet sind und die Abweichungen in konventionellen Einheiten, z. B. Bogensekunden, anzeigen.

Nach der Übertragung der digitalen Daten aus dem

/.iihler 36 /um Anzeigegerät 41 wird ein weiieres. durch die Steuervorrichtung 35 synchronisiertes Ausgangssignal so geführt, daß es den runkiionscmgangsanschluß RSl des Zählers 36 zurücksetzt, um den Zähler vor dein Heginn jedes folgenden Zähl/vklus /.u löschen.

Zusätzlich /u der tatsächlichen Darstellung tier Abweichung in 41 kann der Geber dazu verwendet werden, digitale Daten für eine bei 51 dargestellte eulsprechende größere Einrichtung vorzusehen, die für eine weitere Verarbeitung der Daten sorgt.

Hierzu 2 Ulatl Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Winkelstellungsgeber, insbesondere zum Anzeigen von schwerkraftbezogenen Abweichungen einer trägen Masse bezüglich einer ■> Nullposition,

a) mit einer Differentialkondensatoranordnung, bestehend aus zwei stationären Elektroden in Verbindung mit einer beweglichen Mittelelektrode, die mit jeder der beiden stationären Elektroden jeweils einen Kondensator bildet, und

b) mit einem an die Kondensatoren der Differentialkondensatoranordnung angeschlossenen Oszillator, gekennzeichnet durch die is Kombination folgender Merkmale:

c) eine Schalteranordnung (33—34) verbindet abwechselnd die Kondensatoren (18/24 bzw. 18/23) der Differentialkondensatoranordnung (18, 23, 24) mit dem Oszillator (31), dessen Frequenz sich jeweils nach der Kapazität des angeschalteten Kondensators (18/24, 18/23) bestimmt;

d) der Ausgang des Oszillators (31) ist mit einem Zähler (Meßzähler 36) verbunden, der von der 2^r. Differenz der Frequenzen beaufschlagt wird, die von den beiden Kondensatoren (18/23, 18/24) und dem Oszillator (31) vorgegeben werden;

e) diese Frequenzdifferenz bildet ein digitales Maß «ι für die Abweichungen der Masse.

2. Winkelstellungsgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung zwei über einen Steuereingang steuerbaren Schalter (33, 34) aufweist, die jeweils zwischen einen Kondensator (18/23,18/24) und dem Oszillator (31) geschaltet sind und deren Steuereingänge durch einen Taktgeber bestätigt werden.

3. Winkelstellungsgeber nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der.Taktgeber einen Impulsgeber (32) enthält, der mit dem Zähleingang eines weiteren Zählers (Taktzähler 35) verbunden ist, dessen Ausgang mit den Steuereingängen der Schalter derart verbunden ist, daß die Schalter für die gleiche Zeitdauer angeschaltet sind.

4. Winkelstellungsgeber nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Taktzählers (35) mit Steuereingängen (z. B. Rückstelleingang, Umschaltung der Zähleinrichtung) des Meßzählers (36), der als Vorwärts/Rückwärtszähler to ausgebildet ist, verbunden ist.

5. Winkelstellungsgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßzähler (36) eine den Zählstand erfassende, den digitalen Meßwert für die Winkelstellung liefernde Anzeigevorrichtung (41) nachgeschaltet ist.