DE2916760C2

DE2916760C2 - Vorrichtung zur Meßung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes

Info

Publication number: DE2916760C2
Application number: DE19792916760
Authority: DE
Inventors: Hiroomi Yamakitamachi Kanagawa Ogasawara
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1984-05-03
Also published as: GB2020815B; FR2424513A1; DE2916760A1; FR2424513B1; DE2954266C2; CH630461A5; GB2020815A

Description

des Rotationskörpers R angeordnet sind Es wird aber bemerkt, daß die Beziehung in den Abstufungen bzw. Ausschnitten zwischen dem Rotationskörper R und dem feststehenden Element S\ um 180° in der Phase verschoben sind, und zwar von der Beziehung der Abstufungen zwischen dem Rotationskörper R und dem feststehenden Element S2. Mit anderen Worten, wenn angenommen ist, daß die Kantenteile des feststehenden Elementes Si, die nicht ausgeschnitten oder ausgenommen sind

":', (im folgenden als »Vorsprünge der Kante«) bezeichnet,

Γ mit den Vorsprüngen des Umfanges des Rotationskörpers R zusammenfallen, dann fallen die Vorsprünge der Kante des feststehenden Elements S2 mit den Ausneh-

1.' mungen des Umfangs des Rotationskörpers R zusammen. Wenn also angenommen wird, daß der Rotations-

" körper R und das feststehende Element Si einen Kondensator bilden und daß der Rotationskörper R und das

' feststehende Element S₂ einen anderen Kondensator bilden, dann weist die Kapazität des durch den Rotationskörper R und das feststehende Element Si gebildeten Kondensators ein Maximum auf, während die Kapazität des durch den Rotationskörper und das feststehende Element S₂ gebildeten Kondensators ein Minimum ist.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die in Verbindung mit der Fühlereinheit nach F i g. 1 verwendet wird. In der Schaltung werden Kristallresonatoren X\ und X₂ in Verbindung mit Oszillatoren OSCi und OSC2 verwendet Ursprünglich ist die Schwingungsfrequenz eines Kristallresonators festgelegt. In diesem Falle sind aber die Kristallresonatoren parallel zu den Kondensatoren geschaltet, die durch den Rotationskörper R und die feststehenden Elemente Si und S2 gebildet sind. Infolgedessen wird die Schwingungsfrequenz jedes Kristallresonators entsprechend der Änderung der Kapazität des jeweiligen Kondensators verändert. Die Kapazitätsänderung der Kondensatoren sind eine sogenannte »Differentialänderung«, bei welcher die Kapazität eines Kondensators erhöht wird, während die Kapazität des anderen Kondensators verringert wird. Infolgedessen wird, wenn die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren OSCi und OSC₂ erhöht wird, diejenige des anderen Oszillators verringert. Wenn diese beiden Frequenzsignale miteinander in einer Mischstufe MIX gemischt werden, dann kann die Differenzfrequenz f zwischen ihnen erhalten werden. Das Diffcrenzsignal wird zu einer Signal verarbeitenden Schaltung über Draht oder auf drahtlosem Wege übertragen.

Die Teile (a) und (b) der F i g. 3 sind graphische Darstellungen, welche die Ausgangssignale der Oszillatoren OSCi und OSC2 und das Ausgangssignal der Mischstufe MIX darstellen, die erzeugt werden, wenn der Rotationskörper R in bezug auf die feststehenden Elemente Si und S2 rotiert. Zur Vereinfachung wird in der Beschreibung ein relativer mittlerer Abstand d zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen Si und S₂ verwendet. Wenn der Rotationskörper R ungefähr um eine Abstufung in bezug auf die feststehenden Elemente Si und S₂ gedreht worden ist, ändern sich die Ausgangsfrequenzen /Ί und S₂ der Oszillatoren OSCi und OSC2 in nicht linearer Weise, wie es in Teil (a) der F i g. 3 gezeigt ist.

Es wird bemerkt, daß die Änderungen der Ausgangsfrequenzen /1 und /2 symmetrisch sind. Wenn eine Charakteristik-Kurve (f\ — f₂) von den Änderungen der Ausgangsfiequenzen erhalten ist, dann enthält diese einen wesentlich linearen Teil, wie es in Teil (b) der Fig. 2 gezeigt ist.

Die Teile (a) bis (c) der F i g. 4 zeigen die Tatsache, daß, wenn der nicht lineare Teil einer im wesentlichen linearen Charakteristik-Kurve (Teil (a) der F i g. 4), der durch die Differentialoperation zwischen einer beweglichen Elektrode und feststehenden Elektrode erhalten ist, einer im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve (Teil (b) der F i g. 4), die durch Rotation des Rotationskörpers in bezug auf die feststehenden Elemente erhalten ist, überlagert wird, die in einem Bereich von +90° bis —90° linear ist und die als ganzes eine dreieckförmige Charakteristik-Kurve ist.

Die Gestalt der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve kann wahlweise in gewissem Maße geändert werden, und zwar durch geeignete Wahl der Größe des Rotationskörpers R und der feststehenden Elemente Si und S2 und des Abstandes zwischen den Elektroden. Es kann also die in dem Teil (c) der F i g. 4 gezeigte dreieckförmige Charakteristik-Kurve durch Überlagerung der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve auf die beiden Endteile der im wesentlichen linearen ChaiBkteristik-Kurve, die stark von der geraden Linie abweichen, erhalten werden. Die dreieckförmige Charakteristik-Kurve hat an jedem vorbestimmten Rotationswinkel einen Biegepunkt, und sie kann deshalb für die Feststellung eines Rotationswinkels verwendet werden, in welchem der lineare Teil der Welle verwendet ist, und für die Feststellung einer Rotation, in welcher die ansteigenden und abfallenden Teile der Welle verwendet werden.

In dem oben beschriebenen Beispiel ist ein einziger sich bewegender Gegenstand zwischen einem Paar feststehender Elemente so angeordnet, daß sie in ein und derselben Ebene liegen. Die Erfindung ist aber nicht hierauf oder hierdurch beschränkt. So ist es beispielsweise möglich, daß die feststehenden Elemente in mehreren parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei ein gemeinsamer, sich bewegender Gegenstand für diese feststehenden Elemente vorgesehen ist.

Fi g. 5 zeigt die kontinuierliche Änderung des Differenzfrequenzsignals /"in Abhängigkeit von der Rotation des Rotationskörpers R. Wenn der Rotationskörper rotiert, wird die Differenzfrequenz bei einer Abstufungsteilung erhöht, jedoch bei der nächsten Abstufungsteilung verringert. Es ist notwendig, die Frequenz linear zu erhöhen und zu erniedrigen. Dies kann durch geeignete Wahl der Gestalt der zahnartigen Einschnitte erreicht werden, d. h. der Ausnehmungen und Vorsprünge des Rotationskörpers R und der feststehenden Elemente Si und S2.

Da die Frequenz wiederholt, linear erhöht und erniedrigt wird, kann eine Abstufungsteilung in gleiche Teile unterteilt werden. Infolgedessen kann die Zählung mit viel größerer Genauigkeit als diejenige der Abstufungsteilung durchgeführt werden. Es wird z. B. angenom- men, daß die Abstufungsteilung eine Einheit eines Grades beträgt. Wenn in diesem Falle die Abstufungsteilung in 100 Teile unterteilt wird, dann kann die Abzählung durch die Einheit von 0,6 Sekunden erfolgen. Wenn die Abstufungsteilung in mehr Teile unterteilt werden kann, dann können die Abstufungsintervalle länger gemacht werden.

Die F i g. 6 bis 8 zeigen ein anderes Beispiel des erfindungsgemäßen Fühlers. F i g. 6 ist eine Seitenansicht, welche die Beziehung zwischen einem Rotationskörper R und feststehenden Elementen Sl, Sl', S 2, S2' zeigt. Fig. 7 ist eine Schnittansicht nach der Linie VII-VII in F i g. 6. F i g. 8 ist eine Schnittansicht nach der Linie VIII-VIII in Fig. 6.

Der Rotationskörper R wird in Richtung des Pfeiles A gedreht. Der Rotationskörper R besitzt eine zahnartige Abstufung Ra, die in gleichmäßigen Abständen in den Zylindermantel eingeschnitten sind. Die feststehenden Elemente Sl und Sl' haben ebenfalls zahnartige Abstufungen SIa und SIa' die in bezug auf die Abstufung Ra miteinander in Phase sind. Die feststehenden Elemente S 2 und S 2' besitzen ebenfalls zahnartige Abstufungen S 2a und S 2'a, die in bezug auf die Abstufung Ra miteinander in Phase sind. Es wird aber darauf hingewiesen, daß die Abstufungen S la und S2a der feststehenden Elemente S1 und S 2 in bezug auf die Abstufung Ra gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. In gleicher Weise sind die Abstufungen S Va und S2'a der feststehenden Elemente Sl' und S2' in bezug auf die Abstufung Ra gegeneinander in der Phase verschoben.

Wenn also der Rotationskörper R und die feststehenden Elemente S1, S1', S 2 und S 2' so angeordnet sind, daß sie Kondensatoren bilden, dann ist, wenn die Kapazität zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen Sl und Sl' ein Maximum ist, die Kapazität zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen S 2 und S 2' ein Minimum. Die feststehenden Elemente Sl und Sl' sind miteinander verbunden, und es sind die feststehenden Elemente S 2 und S2'miteinander verbunden. Somit kann selbst dann, wenn die Abstände zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen S1 und S 2 von denjenigen zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen S Γ und S 2' verschieden sind, die Differenz der Kapazität ausgeglichen werden. Dies kann für den Fall angewendet werden, wenn der Rotationskörper R in geneigtem Zustand rotiert.

Fi g. 9 zeigt eine Meßschaltung einschließlich der angeschalteten Fühlereinheit, wie oben beschrieben. Es werden Kristallresonatoren X\ und X2 in Kombination mit Oszillatoren OSCi bzw. OSC2 verwendet. Die Schwingungsfrequenz jedes der Kristallresonatoren X\ und X2 ist festgelegt. Da aber die Kristallresonatoren in Reihe mit den durch den Rotationskörper R und die feststehenden Elemente S1, S1' und S 2 und S 2' gebildeten Kondensatoren geschaltet sind, werden die Schwingungsfrequenzen der Kristallresonatoren geändert, wenn sich die Kapazitäten der Kondensatoren mit der Drehung des Rotationskörpers ändern. Die Kapazitätsänderungen der Kondensatoren sind sogenannte »Differentialänderungen«, bei denen sich die Kapazität eines Kondensators erhöht, während sich die Kapazität des anderen Kondensators verringert. Wenn also die Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren OSCi und OSC₂ vergrößert wird, wird diejenige des anderen Kondensators verringert. Wenn diese Frequenzsignale in einer Mischstufe MlX miteinander gemischt werden, kann die Differenzfrequenz /"zwischen ihnen erhalten werden. Die Änderungen der Differenzfrequenz f sind in F i g. 5 gezeigt.

Mit diesem Beispiel werden Meßfehler, die auf die Exzentrizität und Neigung des Rotationskörpers zurückzuführen sind, kaum bewirkt. Somit kann die Rotationsgröße mit hoher Genauigkeit gemessen werden.

F i g. 10 zeigt ein anderes Verfahren zur Verarbeitung der Ausgangssignale der Oszillatoren OSCi und OSC2. Die beiden Ausgangssignale der beiden Oszillatoren werden über Empfänger RCV Mischstufen MIX\ und MlX₂ zugeführt, wo sie mit örtlichen Schwingungsfrequenzen LOi und LO2 für eine Frequenzumwandlung gemischt werden. Die Ausgangssignale der Mischstufen werden in einem Mischer MIX3 miteinander gemischt, um ein Meßsignal /"zu erhalten.

Wenn die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Oszillatoren OSCi und OSC₂ mehrere kH 7 beträgt, ist das Signalintervall 0,2 bis 0,3 msec, welches der Bewegung eines sich kontinuierlich bewegenden Gegenstandes nicht folgen kann. Wenn dagegen eine Frequenz von 10 bis 20MHz, als Ausgangsfrequenz der Oszillatoren OSCi und OSC₂ erhalten wird und diese Frequenz unverändert verwendet wird, so ist eine solche Frequenz für einen Frequenz-Spannungs-Wandler nicht geeignet. Dieses Problem kann durch die Anordnung nach F i g. 10 gelöst werden. Da das Signalintervall in der Größenordnung von Mikrosekunden ist, liegt eine Signaländerung im Bereich von mehreren kHz und damit in einem Fehlerbereich. Diese Schwierigkeit wird ausgeschaltet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes mit einer Fühleranordnung mit einem zylindrischen, rotierenden Gegenstand mit zahr.artigen Abstufungen auf seiner zylindrischen Außenwand und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen, die dem rotierenden Gegenstand gegenüberstehen und auf ihren gegenüberliegenden Flächen zahnartige Abstufungen besitzen, um ein Paar Kondensatoren zu bilden, wobei der rotierende Gegenstand als gemeinsame Elektrode verwendet ist und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die Abstufungen des rotierenden Gegenstandes um 180° in der Phase gegeneinander verschoben sind, durch die Kombination folgender Merkmale g e kennzeichnet:

a) Zusätzliche zweite feststehende Elemente (S Γ, 52') mit zahnartigen Abstufungen (S la', S2a') sind in Längsrichtung des Rotationskörpers (R) axial versetzt und parallel zu den ersten feststehenden Elementen (Si, S 2) angeordnet,

b) die ersten feststehenden Elemente (Si, S 2) sind elektrisch komplementär mit den zweiten feststehenden Elementen (Si', S2') verbunden, um in bezug auf die gemeinsame Elektrode (R) je zwei Elektrodenpaare (Si,S Γ und 52, S2') zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich bewegende Gegenstand stationär gehalten wird, während die feststehenden Elemente gegenüber dem sich bewegenden Gegenstand bewegt werden.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes mit einer Fühleranordnung mit einem zylindrischen, rotierenden Gegenstand mit zahnartigen Abstufungen auf seiner zylindrischen Außenwand und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen, die dem rotierenden Gegenstand gegenüberstehen und auf ihren gegenüberliegenden Flächen zahnartige Abstufungen besitzen, um ein Paar Kondensatoren zu bilden, wobei der rotierende Gegenstand als gemeinsame Elektrode verwendet ist und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die Abstufungen des rotierenden Gegenstandes um 180° in der Phase gegeneinander verschoben sind.

Die Rotationsgröße eines rotierenden Gegenstandes kann im allgemeinen z. B. durch ein Verfahren gemessen werden, in welchem der rotierende Gegenstand in gleichen Abständen abgestuft ist, und es wird die Rotationsgröße des rotierenden Gegenstandes durch Messen der Abstufungen erhalten. Nach einem anderen Verfahren haben die sich gegenüberliegenden Flächen eines rotierenden Gegenstandes und eines feststehenden Elementes zahnartige Einschnitte als Abstufungen, so daß, wenn sich die Vorsprünge der zahnartigen Einschnitte nahe aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegen, wenn der Gegenstand rotiert, sich die Kapazität eines dadurch gebildeten Kondensators verändert, wobei die Kapazitätsänderung festgestellt wird, um die Bewegungsgröße zu messen.

Wenn die Rotationsgröße mit hoher Präzision gemessen werden soll, wird angenommen, daß die Zählung durch Sekunden bewirkt wird, das heißt durch die Einheit von V3600 eines Grades. Dann muß der Umfang des rotierenden Gegenstandes in 360 - 60 · 60 = 1 296 000 unterteilt werden. Eine solche Unterteilung ist aber praktisch unmöglich. Infolgedessen ist eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße mit hoher Genauigkeit bisher nicht vorgeschlagen worden.

Es sind Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt (Christoph Rohrbach »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen« (1967), Seite 155 und DE-AS 10 91 346), bei denen nur zwei feststehende Elemente vorgesehen sind, die dem rotierenden Gegenstand bzw. dem Rotationskörper gegenüberstehen. Wenn hierbei die Rotationsachse des Rotationskörpers aus der korrekten Position verschoben ist, werden die Abstände zwischen dem Rotationskörper und den stationären Elementen unterschiedlich. In diesem Falle ist es nicht möglich, ein symmetrisch zum Null-Pegel liegendes Aasgangssignal zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes der eingangs genannten Art zu schaffen, rtie auch bei nicht exakt gelagerter Rotationswelle einwandfrei und genau arbeitet. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.

Das Prinzip, die Art und die Anwendung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fühlereinheit in einer Vorrichtung zur Messung der Rotationsgröße eines rotierenden Gegenstandes gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer in Verbindung mit der Fühlereinheit nach F i g. 1 verwendeten Schaltung,

F i g. 3a, 3b + 4a, 4b + 4c graphische Darstellungen der Arbeitsprinzipien der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik der Schaltung nach F i g. 2,

F i g. 6—8 schematische Darstellungen eines anderen Ausführungsbeispiels der Fühlereinheit für einen rotierenden Gegenstand,

Fig.9 ein Blockschaltbild einer in Kombination der Fühlereinheit nach den F i g. 6 bis 8 verwendeten Schaltung und

Fig. 10 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß verwendeten Schaltung.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Fühlereinheit in einer Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines sich bewegenden Gegenstandes gemäß der Erfindung. In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen R einen zu messenden Gegenstand oder einen Rotationskörper, der synchron mit dem vorgenannten zu messenden Gegenstand rotiert. Der Umfangsteil des Rotationskörpers ist mit zahnartigen Abstufungen in gleichen Abständen versehen. Die feststehenden Elemente S\ und 52 umgeben den Rotationskörper. Die Kanten dieser feststehenden Elemente 5, und 52, die dem Umfang des Rotationskörpers zugekehrt sind, sind mit zahnartigen Abstufungen versehen, die in gleichen Abständen wie diejenigen