DE3031457A1

DE3031457A1 - Anordnung zur fernueberwachung der lage, geschwindigkeit und/oder der richtung der bewegung eines bewegbaren elements

Info

Publication number: DE3031457A1
Application number: DE19803031457
Authority: DE
Inventors: Charles J. Greenville N.C. Cain; David W. Mosier jun.; Edward J. Raleigh N.C. Walker; Thomas D. Wason
Original assignee: Cain Encoder Co
Current assignee: Cain Encoder Co
Priority date: 1979-08-20
Filing date: 1980-08-20
Publication date: 1982-03-11
Also published as: BR8005273A; GB2059593A; GB2059593B; FR2463934A1; MX148528A; JPS56108193A

Description

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NATIONALE, PCT- UND DR. BRICH NBUGBBAUER NATIONAL, PCT AND

EUROPÄISCHE PATENTE PATENTANWALT EUROPEAN PATENTS WARENZEICHEN _ZU_OELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT TRADEMARKS LIZENZVERTRAGE GERMAN AND EUROPEAN PATENT ATTORNEY LICENSE AGREEMENTS

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20. August 1980 1A-4127

Patentanmeldung

CAIN ENCODER COMPANY Greenville, North Carolina 27834, U.S.A.

Anordnung zur Fernüberwachung der Lage, Geschwindigkeit und/oder der Richtung der Bewegung eines bewegbaren Elements

POSTADRESSE: BORO: 8000 MÖNCHEN 2 TELEFON (089)224337 UND 292561 POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN DR. E. NEUGEBAUER ZWEIBROCKENSTRASSE 10 TELEX 5-24477 pat-d 5519-803 (BLZ 70010080) POSTFACH 260101 EINGANG MORASSISTRASSE 2 TELEGRAMMADRESSE (CABLES): BAYER. VEREINSBANK MÖNCHEN

BESCHREIBUNG

Auf den Gebieten des Handels, der Industrie und der Haushaltungen ist es häufig erforderlich, schnell die jeweilige Lage eines bewegbaren Elements zu ermitteln. Beispielsweise werden bei den verschiedensten Arten von Meßgeräten Fernüberwachungsvorrichtungen verwendet, um jeweils die Lage, die Geschwindigkeit und/öder die Bewegungsrichtung eines bewegbaren Elements, z.B. einer Welle, einer Skala oder von Zeigern und dgl. zu ermitteln. Ferner ist es erwünscht, daß es möglich ist, schon vorhandene Geräte mit Einrichtungen zur Fernüberwachung bzw. Fernablesung auszurüsten, so daß die Benutzung neuzeitlicher Fernableseeinrichtungen möglich ist. Bei Stromversorgungsnetzen ist es z.B. erforderlich, jederzeit eine ausreichende elektrische Leistung verfügbar zu machen, damit der Bedarf auch während relativ kurzer Perioden maximalen Verbrauchs gedeckt werden kann, doch bleiben hierbei große Teile der Anlagen während des größten Teils jedes Arbeitstages ungenutzt. Um einen Anreiz für den Verbrauch von Energie während der Perioden des geringsten Bedarfs zu geben, z.B. durch Preisermäßigungen, oder damit die Möglichkeit besteht, unwichtige Teile der Stromverbraucher eines Kunden abzuschalten, wenn der Kunde einen vorher vereinbarten Verbrauch überschreitet, ist es erforderlich, den jeweiligen Energieverbrauch eines einzelnen Kunden während einer vorbestimmten Zeitspanne zu ermitteln. Diese Aufgabe kann natürlich nicht durch einen

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Zählerableser gelöst werden, der ein Gebäude nach dem anderen besucht und Jeden einzelnen Stromzähler abliest.

Bis jetzt ist eine solche Messung des laufenden Energiebedarfs bzw. Energieverbrauchs im allgemeinen nur mit Hilfe von Geräten möglich, die auf spezielle Weise ausgerüstet sind und anstelle der vorher benutzten Geräte oder Zähler eingesetzt werden müssen; diese speziellen Zähler erfordern jedoch hohe Herstellungskosten. Allerdings ist in den US-PSen 4 007 454 und 3 500 365 jeweils ein Zählerfernablesesystem beschrieben, bei dem ein elektrischer oder magnetischer Umformer bzw. Wandler die Skale eines Zählers abtastet; zu diesem Zweck wird gemäß der zuerst genannten US-PS ein rotierendes elektrisches Feld bzw. gemäß der an zweiter Stelle genannten US-PS ein rotierendes Magnetfeld erzeugt; dieses Feld umgibt den Zeiger dem abzulesenden Zählers, und es werden keinerlei mechanische Teile verwendet, die sich relativ zueinander bewegen; auf diese Weise wird die Störanfälligkeit der Geräte verringert. Die Felder, die bei den soeben genannten bekannten Vorrichtungen erzeugt werden, haben jeweils eine Drehachse, die mit der Drehachse des Zählerzeigers zusammenfällt. In dem elektrischen Feld ist eine Feldfühl- bzw. Feldableseeinrichtung oder Elektrode symmetrisch zur Drehachse des Zählerzeigers angeordnet, damit es möglich ist, eine Spannungsänderung zu fühlen, die auftritt, wenn das drehbare Element das rotierende elektrische Feld kreuzt, wobei ein

dieser Spannungsänderung entsprechendes Ausgangssignal erzeugt wird. Die US-PS 4 007 454 beruht auf dem Grundgedanken, daß es möglich ist, das rotierende elektrische Feld kapazitiv mit dem Zeiger des Zählers zu koppeln, wenn der Zeiger aus einem Material besteht, dessen Dielektrizitätskonstante sich erheblich von derjenigen der in. der Umgebung vorhandenen Medien unterscheidet; der Zeiger wird dann gegenüber der Ableseelektrode kapazitiv rückgekoppelt. Änderungen des der Ableseelektrode zugeftihrten Signals liefern eine Anzeige für die jeweilige Störung des Feldes und damit auch der Stellung des Zeigers.

Zwar liefert dieses System durchaus befriedigende Ergebnisse, und es ist bei Anlagen anwendbar, bei denen der Zählerzeiger gegenüber der ihn tragenden Achse isoliert ist; ist jedoch der Zeiger geerdet, d.h. ist keine Isolierung zwischen dem Zeiger und der Achse vorhanden, können sich bei der Anwendung dieses Verfahrens Schwierigkeiten ergeben, da die Möglichkeit besteht, daß ein erheblicher Teil des Signals zur Erde abgeleitet wird, statt der Ableseelektrode erneut zugeführt zu v/erden.

Daher ist es erwünscht, ein System zu entwickeln, das insbesondere zur Verwendung bei geerdeten Zählerzeigern geeignet ist, und bei dem die Schwierigkeiten vermieden sind, die sich bei der Herstellung einer kapazitiven Kopplung für das Signal zwischen den Antriebselektroden und dem Zählerzeiger

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und zurück zur Anzeigeelektrode ergeben.

Die Erfindung ist auf ein System gerichtet, zu dem eine Wandlereinheit gehört, die es ermöglicht, im Wege der Fernanzeige die jeweilige Lage, Geschwindigkeit und/der Bewegungsrichtung eines bewegbaren bzw. sich bewegenden Elements zu überwachen, und zwar insbesondere in Fällen, in denen das bewegbare Element aus einem Material besteht, das sich bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seiner Dielektrizitätskonstanten erheblich von den in der Umgebung vorhandenen Medien unterscheidet. Zwar wurde das System nach der vorliegenden Erfindung in erster Linie zu dem Zweck entwickelt, eine Fernüberwachung geerdeter Zeiger zu ermöglichen, doch dürfte sich die Erfindung auch bei bewegbaren Elementen anwenden lassen, die nicht notwendigerweise geerdet sind; solange sie aus einem Material bestehen, das sich bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seiner Dielektrizitätskonstanten erheblich von den in der Umgebung vorhandenen Materialien unterscheidet.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird zuerst ein elektrisches Feld mit vorbestimmten und meßbaren elektrischen Merkmalen erzeugt, wenn keine Wirkungen vorhanden sind, die zu einer Veränderung des Feldes führen. Das elektrische Feld wird durch eine Treiberschaltung erzeugt, bei der eine Quelle für eine mehrphasige Spannung an Felderzeugungselektroden angeschlossen ist, die eine symmetri-

sehe Anordnung bilden, um diesen Elektroden jeweils ein vorbestimmtes Eingangssignal zuzuführen. Das jeder Elektrode zugeführte Eingangssignal unterscheidet sich bezüglich seiner Phase von den Eingangssignalen, die den übrigen. Elektroden zugeführt werden. Hierbei sind die Elektroden so angeordnet, daß das elektrische Feld, das entsteht, wenn die Treiberschaltung den Elektroden Signale zuführt, das zu überwachende bewegbare Element umschließt. An jede Eingabeleitung ist eine Detektorschaltung.angeschlossen, die dazu dient, Veränderungen zu erfassen, die auf die Veränderungswirkung zurückzuführen sind, welche in dem elektrischen Feld durch das Vorhandensein des bewegbaren Elements hervorgerufen wird.

Bei einer solchen Anordnung.ist es möglich, die genannten Veränderungen in verständliche Informationen zu verwandeln, welche die jeweilige Lage des bewegbaren Elements anzeigen und jeweils einer gewünschten Empfangsstation zugeführt v/erden können.

Die vorstehend allgemein beschriebene Vorrichtung, die man als elektrischen Wandler bezeichnen kann, ist geeignet, die Einstellung eines Zeigers gegenüber der Skala eines Zählers o.dgl. in jedem beliebigen Zeitpunkt zu überwachen bzw. anzuzeigen, ohne daß eine mechanische Verbindung zu dem Zähler vorhanden zu sein braucht, und ohne daß störungsanfällige Einrichtungen, z.B. fotoelektrische Zellen, benötigt werden. Die einzige Verbindung zu dem Zähler wird durph das elektri-

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sehe Feld hergestellt. Zur Abtastung der Skale eines bestimmten Zählers kann gemäß der folgenden Beschreibung das elektrische Feld auf elektronischem Wege erzeugt werden, ohne daß irgendwelche mechanischen Teile benützt werden, die relativ zueinander bewegbar sind; daher können bei solchen Zählerablesevorrichtungen praktisch keine Wartungsprobleme auftreten. Ferner sind keine Schalter.vorhanden, die Anlaß zu einer Funkenbildung geben könnten, und daher lassen sich das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung auch in einer explosionsgefährdeten Umgebung verwenden.

Während bei der Vorrichtung nach den US-PSen 4 007 454 und 3 500 365 von einem rotierenden elektrischen oder magnetischen Feld Gebrauch gemacht wird, wobei eine zur Ablesung dienende Elektrode oder Spule in dem Feld symmetrisch zur Drehachse des drehbaren Elements angeordnet und durch das rotierende elektrische Feld kapazitiv mit dem Zeiger eines Zählers gekoppelt ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung auf die Verwendung einer Ableseelektrode verzichtet werden. Zwar ist das elektrische Feld kapazitiv mit dem Zeiger des Zählers oder einem anderen bewegbaren Element gekoppelt, doch ist keine Kopplung in der Gegenrichtung zu irgendeiner Ableseelektrode erforderlich, und die jeweilige Lage des bewegbaren Elements wird mit Hilfe der resultierenden Verstimmung der das elektrische Feld erzeugenden Treiberschaltung ermittelt.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das elektrische Feld durch eine mehrphasige Spannung erzeugt, die einer kreisrunden Anordnung von Elektroden zugeführt wird, welche nach dem Einschalten ein rotierendes elektrisches Feld erzeugen, und es wird bei jeder Elektrode ein hoher Eingangswiderstand verwendet, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu erhöhen. Ein Summierungsnetzwerk, z.B. ein Widerstandsnetzwerk, liefert die Nettosumme bzw. die algebraische Summe aller Komponenten an einem Summierungspunkt, wo eine Netzeinrichtung die Vektorsumme von Potentialen dieser Abzweigung erfaßt, um festzustellen, wo eine Verstimmung der Anordnung stattgefunden hat, und wie groß die Verstimmung oder Veränderung ist. Zwar wird in Verbindung mit der bevorzugten Ausführungsform ein rotierendes elektrisches Feld beschrieben, doch könnte man auch Felder anderer Art verwenden; hierzu ist es erforderlich, daß das Verhalten der Treiberschaltung zur Entstehung eines bestimmten Feldes führt, das beim Fehlen jeder zu einer Veränderung führenden ¥irkung bekannt und meßbar ist, und daß das bewegbare Element durch seinen störenden Einfluß auf das Feld zu einer Veränderung bei der Treiberschaltung Anlaß gibt. Beispielsweise könnte man einen Satz von einander überlagerten Feldern oder einen Raster verwenden. Der größte Teil der folgenden Beschreibung ist jedoch auf die Verwendung eines elektrischen Feldes gerichtet. Es ist zu bemerken, daß die gleichen Grundgedanken für die Verwendung eines magnetischen Feldes gelten, wenn der bewegbare Zeiger eine magnetische Empfindlichkeit

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aufweist. Somit wird zwar im folgenden im wesentlichen nur auf die Verwendung eines elektrischen Feldes eingegangen, doch ist es gemäß der Erfindung auch möglich, mit einem Magnetfeld zu arbeiten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Fernüberwachung der jeweiligen Lage, Geschwindigkeit und/oder Bewegungsrichtung eines bewegbaren Elements zu schaffen, die auch verwendbar ist, wenn das bewegbare Element geerdet ist. Ferner soll zusätzlich..zu einer solchen Vorrichtung ein Verfahren geschaffen werden, das es ermöglicht, Veränderungen bei dem Eingangssignal einer Treiberschaltung für ein elektrisches Feld zu messen, wobei diese Veränderungen die jeweilige Lage des bewegbaren Elements in dem Feld anzeigen. Außerdem sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Fernüberwachung der jeweiligen Stellung von Zählerzeigern, insbesondere von geerdeten Zählerzeigern, geschaffen werden. Schließlich soll ein System geschaffen werden, das es ermöglicht, die jeweilige Lage eines Zählerzeigers dadurch zu überwachen, daß die Vektorsumme von mehrphasigen Spannungseingangssignalen für die Elektroden gewonnen wird, Vielehe ein elektrisches Feld erzeugen, wobei sich aus der Vektorsumme die jeweilige Stellung des Zeigers bestimmen läßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

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Fig. 1 eine einfache Schaltung zur Erläuterung des Grundgedankens, der Erfindung}

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Wandler in Verbindung mit einer zugehörigen Steuerschaltung; und

Fig. 3 die Schaltung der Verbindung zwischen dem Wandler nach Fig. 2 und einer Detektorschaltung.

Allgemein gesprochen ist die Erfindung auf ein System gerichtet, das es ermöglicht, eine Störung in einem elektrischen Feld dadurch nachzuweisen, daß die Verstimmung oder Veränderung bei der Treiberschaltung gefühlt wird, mittels welcher das Feld erzeugt wird, wenn eine Störung auftritt. Ein solches Verfahren macht es erforderlich, daß die das elektrische Feld erzeugende Energiequelle meßbar ist, und daß Änderungen des Meßwertes zur Intensität und Richtung der Störung proportional sind. Zur Erläuterung des Grundgedankens der Erfindung sei auf Fig. 1.verwiesen, wo dargestellt ist, auf welche Weise eine variierende Potentialdifferenz zwischen zwei Spannungsquellen 0A und 0B einerseits und zwei Punkten A und B andererseits zur Wirkung gebracht wird. Die Widerstände RA und RB haben die gleiche Größe, und die Ableitungs-Widerstände oder -Impedanzen RC1 und RC2 sind ebenfalls gleich groß. Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist die Potentialdifferenz zwischen dem Summierungspunkt und dem Element, z.B. einer Elektrode A, gleich der Potentialdifferenz zwischen dem Summierungspunkt und einem weiteren Element bzw. einer

Elektrode B.

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Wird ein Gegenstand, insbesondere ein geerdeter Gegenstand, der sich bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seiner Dielektrizitätskonstanten erheblich von der Dielektrizitätskonstanten des die Elemente A und B umgebenden Raums unterscheidet, in die unmittelbare Nähe des Elements A oder des Elements B gebracht, führt dies zu einer Änderung der Potentialdifferenz des betreffenden Elements gegenüber den übrigen Bestandteilen der Anordnung, Da das bzw. 3edes Element in der Nähe des erwähnten Gegenstandes eines voneinander abhängige Teile umfassenden Netzwerks bildet, zu dem die Schaltungselemente RA, A, RC1, der Summierungspunkt, sowie, die Schaltungselemente RC2, RB und B gehören, führt eine Änderung der Ladung des betreffenden Elements zu entsprechenden Änderungen bei anderen Elementen, z.B. bei der Leitung zwischen der Impedanz RA oder RB und dem Punkt A bzw. dem Punkt B. Der Summierungspunkt bildet definitionsgemäß durch die Wahl der elektrischen Werte der Schaltungselemente den elektrischen Mittelpunkt des Systems. Somit kann man die Potentialdifferenz zwischen dem.Summierungspunkt und dem Bezugspunkt für die Treiberquellen für 0A und 0B verwenden, um die Größe, einer Störung zu ermitteln, die durch einen Gegenstand hervorgerufen wird, der in unmittelbarer Nähe des Elements A oder des Elements B angeordnet ist, und hierbei zeigt die Richtung der Störung an, an welchem der Elemente A und B die Störung aufgetreten ist. Natürlich ist es bei einer solchen Anordnung für ihre Betriebsfähigkeit erforderlich, daß die elektrische Impedanz eines oder mehrerer

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Elemente, z.B. A oder B, einer Änderung in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage des bewegbaren Gegenstandes unterliegt. Daher ist es erforderlich, daß entweder das Feld zeitabhängig ist, oder daß eine Relativbewegung zwischen dem erfaßten Gegenstand und dem Feld stattfindet. Somit kann ein unbewegter Gegenstand überwacht werden, wenn sich das Feld ändert, bzw. es ist möglich, einen sich bewegenden Gegenstand zu überwachen, wenn mit einem ortsfesten Feld gearbeitet wird.

Fig. 2 und 3 zeigen als Beispiel die Anordnung von drei der Schaltungen nach Fig. 1 innerhalb einer Vorrichtung mit radialen Elementen zum Messen der Winkelabweichung eines Gegenstandes.

Im übrigen gehören zu der erfindungs gemäßen Vorrichtung Einrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Feldes, vorzugsweise eines elektrischen Drehfeldes, unter Verwendung einer kreisrunden Anordnung von Elektroden, denen jeweils Eingangesignale von gleicher Größe, jedoch unterschiedlicher Phase zugeführt werden. Wenn die Vektorwerte sämtlicher Eingangsspannungen vektoriell summiert werden, ist normalerweise keine Resultierende vorhanden, die sich an dem fummle rungspunkt bemerkbar macht, denn die Vektorsumme sämtlicher Spannungen an dem Mittelpunkt hat den Wert Null. Wenn man jedoch die Elektroden vor der Skala eines Zählers oder einem anderen sich bewegenden oder drehenden Element anordnet, so

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daß das durch die Elektroden erzeugte Feld das bewegbare Element umschließt, ergibt sich eine andere Wirkung. Ein Zählerzeiger, insbesondere ein geerdeter Zeiger, der sich bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit oder Dielektrizitätskonstanten von dem in der Umgebung vorhandenen Medium unterscheidet, bildet einen Leitungsweg zwischen den Elektroden und Erde, so daß ein meßbarer Teil der Energie aus dem Feld abgeleitet und das Potential an der bzw. jeder am nächsten benachbarten Elektrode verringert wird. Die Vektorsumme der Eingangs spannungen, die dann nicht mehr den Wert Null hat, ist proportional zur Winkelstellung des Zeigers bzw. sie zeigt die Stellung des Zeigers an. Das resultierende Signal kann dann mit Hilfe einer beliebigen von mehreren Einrichtungen bekannter Art überwacht und in verständliche Informationen verwandelt werden, die zu einer gewünschten Empfangsstation übertragen werden können.

Gemäß Fig. 2 ist der insgesamt mit 10 bezeichnete Wandler nahe der Stirnfläche eines Zählers 11 angeordnet, zu dem ein Zeiger 12 gehört, Der Wandler 10 ist so angeordnet, daß die Achse des durch die Elektroden 14 erzeugten elektrischen Feldes eine Bahn bestimmt, die sich parallel zu der Kreisbahn des drehbaren Zeigers erstreckt und den Zeiger enthält. Gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich, daß das elektrische Feld rotiert oder daß es eine kreisrunde Form hat. Es ist nur erforderlich, daß das elektrische Feld bezüglich seiner Größe und Form bekannt ist, daß es symmetrisch

Vi l·= ir'-rVi ^l 303H57

zu der Bewegimg des Zählerzeigers angeordnet ist, daß es sich messen läßt und daß sich der Zeiger in dem Feld befindet.

Gemäß Fig. 2 ist eine Leitung 16 vorhanden, die an eine Quelle für eine elektrische Spannung, ζ,ίΒ. ein elektrisches Versorgungsnetz, angeschlossen ist, der gewöhnlich eine einphasige Spannung entnommen werden kann. Ferner ist eine Signalüberwachungseinrichtung 17 bekannter Art vorhanden, die dazu dient, die normalerweise in der Leitung 16 auftretenden SpannungsSchwankungen wirkungslos zu machen, die es jedoch ermöglicht, spezielle Spannungsmuster zu erfassen, die der Leitungsspannung durch die entfernte Station überlagert werden können, und bei denen es sich um Befehle zum Ablesen eines Zählers handeln kann, auf welche die Einrichtung 17 dadurch reagiert, daß sie einen Schalter schließt, wie er in Fig. 2 in Form eines Relais L1 angedeutet ist. Auf diese Weise ist eine Fernbetätigung des Relais L1 zur Betätigung des Wandlers 10 möglich.

Die Leitung 16 führt zu einem Phasenteiler 18, der die einphasige Spannung in mehrere Phasen, z.B. drei Phasen, so unterteilt, daß ein elektrisches Drehfeld entsteht. Soll der Zähler 11 abgelesen werden, wird über die Leitung 16 ein Abfragesignal zugeführt, um die Signalüberwachungseinrichtung 17 zu veranlassen, einen Relaiskontakt L1-1 zu betätigen. Wird dieser Kontakt geschlossen, wird die ein-

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phasige Spannung aus der Leitung 16 durch den Phasenteiler 18 in eine mehrphasige Spannung unterteilt, z.B. in eine Dreiphasenspannung, bei der die drei Phasen in Winkelabständen verteilt sind. Bei richtiger Schaltung erzeugt die mehrphasige Spannung ein elektrisches Feld, das gegenüber der Stirnfläche des Wandlers 10 rotiert. Der Zeiger 12 des Zählers 11, der aus einem Material besteht, das sich bezüglich seiner Dielektrizitätskonstanten oder seiner elektrischen Leitfähigkeit erheblich von der Dielektrizitätskonstanten des in der Umgebung vorhandenen Mediums unterscheidet, bewirkt, daß aus dem elektrischen Feld Energie abge-

den zogen wird, so daß auch eine Verringerung der/benachbarten Elektroden 14 zugefUhrten Energiemenge erfolgt. Somit tritt eine entsprechende Verstimmung der Eingangssignale auf, die sich auf eine noch zu erläuternde Weise erfassen läßt. Zwar könnte der Zeiger 12 aus einem beliebigen Material bestehen, z.B. Metall, Keramik oder Kunststoff, doch wird bei einem geerdeten Zeiger die Verwendung von Metall bevorzugt.

Gemäß Fig. 2 ist die Leitung 16 über den Relaiskontakt L1-1 mit dem Phasenteiler 18 verbunden. Die Einzelheiten des Phasenteilers sind hier nicht dargestellt, da es sich um eine Einrichtung bekannter Art handelt; es sei jedoch bemerkt, daß der Phasenteiler eine mehrphasige Spannung mit zwei, drei oder einer beliebigen anderen Anzahl von Phasen liefert. Vermutlich ist es zweckmäßig, eine Dreiphasenspannung zu verwenden, da eine solche Spannung in vielen Fällen dem

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Versorgungsnetz entnommen werden kann, so daß der Phasenteiler 18 in der Praxis nicht benötigt wird. Steht eine Dreiphasenspannung aus dem Netz zur Verfügung, sind drei Kontakte entsprechend dem Kontakt L1-1 vorhanden, wobei je einer dieser Kontakte in jeder der drei Phasenleitungen liegt, und der Phasenteiler 18 wird durch drei Phaseninverter ersetzt, so daß zu den Eingangesignalen für den Wandler 10 die drei ursprünglichen Phasen und ihre Umkehrungen gehören.

In Fig. 3 sind die sechs von dem Phasenteiler 18 ausgehenden Leitungen mit A, B, C, -A, -B und -C bezeichnet, so daß die positiven und negativen Polaritäten der Phasen A, B und C zu erkennen sind. Die Leitung +A ist an die Elektrode 25 angeschlossen und enthält einen großen Widerstand 35; die Leitung -A zu der Elektrode 22 enthält ebenfalls einen großen Widerstand 32, und diese beiden Elektroden sind auf dem Wandler 10 einander diametral gegenüber angeordnet. Entsprechend ist die Leitung B mit der Elektrode 21 über einen Widerstand 31 verbunden, während die Leitung -B an die diametral gegenüber liegende Elektrode 24 über einen Widerstand 34 angeschlossen ist; entsprechend ist die Leitung C mit der Elektrode 20 über einen Widerstand 30 verbunden, während die Leitung -C über einen Widerstand 33 an der diametral gegenüber liegenden Elektrode 23 liegt. Die Elektrodenpaare 20, 23 bzw. 21, 24 bzw. 22, 25 sind jeweils so geschaltet, daß eine Elektrode, z.B. die Elektrode 20, mit der positiven Seite einer Phase, z.B. der Phase C, verbunden ist, während die betreffende andere

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Elektrode 23 an die negative Seite der gleichen Phase angeschlossen ist. Daher führt das Anlegen eim? Spannung an die beiden Elektroden eines Paars dazu, daß die beiden Elektroden entgegengesetzte Polaritäten haben, und daß entsprechend zwischen den Elektroden jedes der drei Paare ein elektrisches Feld erzeugt wird.

Wenn bei der beschriebenen Anordnung die Phase C ihren Spitzenwert erreicht, ist somit ein elektrisches Feld vorhanden, das seine größte Stärke zwischen den Elektroden 20 und 23 hat. Um 120 elektrische Phasengrade später, d.h. wenn die Phase B ihre Spitzenspannung erreicht, besteht ein elektrisches Feld, das seine größte Stärke zwischen den Elektroden 21 und 24 hat; Entsprechendes gilt für die Elektroden 22 und 25, wenn die Phase A ihren Spitzenwert erreicht. Auf diese Weise wird ein rotierendes elektrisches Feld zur Wirkung gebracht.

Gemäß Fig. 3 ist ein Summierungsnetzwerk vorhanden, zu dem mehrere Leitungswiderstände 40, 41, 42, 43 und 45 gehören, welche einen nachgeschalteten Detektorkreis bilden, der zu einem Summierungspunkt 50 führt. Diese Widerstände des Summierungsnetzwerks bewirken, daß die Spannungen der verschiedenen Eingangsleitungen zu den Elektroden 20 bis 25 abgefragt und dem Summierungspunkt 50 zugeführt werden, an den eine Einrichtung bekannter Art, z.B. ein Phasenkomparator 13, angeschlossen ist, mittels dessen sich die

Vektorsumme der an den verschiedenen Eingängen vorhandenen Potentialdifferenzen ermitteln läßt» Normalerweise, d.h. wenn gegenüber den Elektroden 20 bis 25 kein Zeiger angeordnet ist, hat die Vektorsumme der Spannungen an dem Summierungspunkt 50 den Wert Null. Da jedoch der Zeiger 12 vorhanden ist, wird ein Teil der Spannungen von den dem Zeiger am nächsten benachbarten Elektroden 20 bis 25 zur Erde abgeleitet, so daß sich eine Verstimmung bzw. eine Änderung der Eingangs signale ergibt. Die durch die Summierungseinrichtung an dem Summierungspunkt 50 gewonnenen Informationen werden dem Phasenkomparator 13 über die Leitung 15 zugeführt, um phasenmäßig mit einer beliebigen Bezugsphase, z.B. der Phase -C, verglichen zu werden. Diese Phasendifferenz wird in verständliche Informationen verwandelt, welche die jeweilige Stellung des Zeigers 12 anzeigen und über eine Stromnetz-Schnittstelle 19 einer Empfangsstation zugeführt werden können.

Die Elektroden 20 bis 25 können auf eine Tragplatte aufgedruckt sein, wie es in der US-PS 4 007 454 beschrieben ist, abgesehen davon, daß keine Mittel- oder Ableseelektrode vorhanden ist, da sie gemäß der Erfindung nicht benötigt wird. Alternativ könnten die Treiberelektroden so ausgebildet sein, wie es in der US-Patentanmeldung 728 119 vom 30. September 1976, dargestellt ist. Auch die Widerstände 30 bis 35 sowie 40 bis 45 und die zu dem Summierungspunkt 50 führenden Netzwerke können auf der gleichen Tragplatte angeordnet sein.

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Bei der beschriebenen Anordnung ist ersichtlich, daß das elektrische Feld normalerweise einen ziemlich langen Weg von einer Elektrode, z.B. der Elektrode 20, zu der ihr diametral gegenüber liegenden Elektrode, z.B. der Elektrode 23, zurückzulegen hat. Wird der Zeiger 12 z.B. nahe der Elektrode 20 angeordnet, durchsetzt das elektrische Feld den Zeiger, und da der Zeiger aus einem dielektrisch andersartigen Material besteht, ergibt sich eine Spannungs- bzw. Potentialverringerung in der Nähe der Elektrode 20. Diese Verringerung der Spannung führt zu einer Verstimmung oder Veränderung an dem beschriebenen Summierungspunkt 50, da das Eingangssignal der Elektrode 20 eine Spannungsänderung erfährt, so daß die Vektorsumme nicht mehr den Wert Null hat. An dem Summierungspunkt 50 tritt sowohl die Größe des Spannungsverlustes als auch die Richtung in Erscheinung, so daß verständliche Informationen zur Verfügung stehen, die einer Empfangsstation zugeführt werden können. Die der Anordnung an dem Summierungspunkt 50 entnehmbaren Informationen werden mit Hilfe des Phasenkomparators 13 bekannter Art gemessen und können mit Hilfe der Trennstelle 19 dem Netz aufgedrückt werden, um an der Abfragestation von einer Preisberechnungseinrichtung empfangen zu werden.

Wird mit einem Magnetfeld gearbeitet, bleiben die Zeichnungen weiterhin gültig, wenn man annimmt, daß es sich bei den Elementen 14 nicht um Elektroden, sondern um Spulen handelt, und wenn berücksichtigt wird, daß der Zeiger 12 eine magnetische Empfindlichkeit aufweist.

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Durch die Erfindung ist somit eine Anordnung zur Ferribestimmung der Winkelstellung, der Geschwindigkeit und/oder der Drehrichtung eines bewegbaren Gegenstandes mit Hilfe einer Verstimmung bei der ein elektrisches Feld erzeugenden Treiberschaltung durch den bewegbaren Gegenstand geschaffen worden. Natürlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der hier behandelten Ausführungsbeispiele. Wie erwähnt, braucht z.B. das elektrische Feld nicht notwendigerweise ein elektrisches Drehfeld oder ein kreisrundes elektrisches Feld zu sein; es ist nur erforderlich, daß das elektrische Feld eine bestimmte Form hat, und daß die ihm zugeführten Eingangssignale meßbar sind. Zwar gilt die Beschreibung in erster Linie für die Verwendung eines geerdeten Zählerzeigers, doch hängt die Betriebsfähigkeit der Anordnung nicht von der Verwendung eines geerdeten Zeigers ab; jedoch wird angenommen, daß sich die Anordnung am besten zur Überwachung geerdeter Zeiger eignet. Ferner braucht es sich bei dem bewegbaren Gegenstand nicht um einen Zeigerzähler oder ein anderes drehbares Bauteil zu handeln, sondern es könnte ein bewegbares Bauteil jeder beliebigen Art, z.B. sogar ein linear bewegbares Bauteil, vorhanden sein, das aus einem Material besteht, das sich bezüglich seiner Dielektrizitätskonstanten oder seiner elektrischen Leitfähigkeit erheblich von dem in der Umgebung vorhandenen Medium unterscheidet und sich in einem elektrischen Feld von bekannter Form bewegt. Im Rahmen der Erfindung könnte man weitere Abänderungen und Weiterbildungen vorsehen.

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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die offenbarte räumliche Ausgestaltung, werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind, als erfindungswesentlich beansprucht.

Claims

ANSPRÜCHE

l.J Anordnung zur Fernüberwachung der Lage, Geschwindigkeit und/oder Richtung der Bewegung eines bewegbaren Elements, das aus einem Material besteht, welches sich bezüglich seiner elektrischen Leitfähigkeit oder seiner Dielektrizitätskonstante erheblich von dem in der Umgebung vorhandenen Medium unterscheidet, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes mit gegebenen elektrischen Merkmalen beim Fehlen irgendwelcher sonstiger Einflüsse, wobei zu dieser Einrichtung eine Treiberschaltung gehört, bei der eine Spannungsquelle (18) ein vorbestimmtes Eingangssignal mehreren Felderzeugungselektroden (20 - 25) zuführt, welche so angeordnet

POSTADRESSE:

DR. E. NEUGEBAUER

POSTFACH 31

BORO: 8000 MÖNCHEN 2 ZWEIBROCKENSTRASSE 10 EINGANG MORASSISTRASSE 2

TELEFON (069)224337 UND 292S61 TELEX 5-24477 pat-d TELEGRAMMADRESSE (CABLES):

POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN

5518-603 (BLZ 70010080)

BAYER. VEREINSBANK MÖNCHEN

sind, daß sich das bewegbare Element (12) in dem elektrischen Feld befindet, wobei zu der Treiberschaltung eine Detektorschaltung gehört, die dazu dient, änderungen bei den Eingangssignalen der Treiberschaltung nachzuweisen, die durch eine Xnderungswirkung in dem elektrischen Feld herbeigeführt werden, welche durch das bewegbare Element herbeigeführt wird, so daß die Änderungen in verständliche Informationen umgewandelt werden können, welche die Lage des bewegbaren Elements anzeigen und zu einer Empfangsstation übertragen werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spannungsquelle um eine mehrphasige Spannungsquelle (18) handelt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Detektorschaltung mehrere relativ große Widerstände (30 - 35) zwischen der Quelle für eine mehrphasige Spannung und jeder der Felderzeugungselektroden (20 - 25) sowie eine von jedem Eingang zu einem Summierungspunkt (50) führende Abzweigung gehören und daß eine Meßeinrichtung (13) vorhanden ist, die dazu dient, die Vektorsumme der Potentiale sämtlicher Abzweigungen zu ermitteln, um festzustellen, wo bei der Anordnung eine Verstimmung vorhanden ist und wie groß diese Verstimmung ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungselektroden (20 - 25) eine symmetrische Anordnung bilden.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element ein Zeiger (12) eines Zählers ist, daß die Elektroden (20 - 25) eine kreisrunde Anordnung bilden, und daß die Ebene der kreisrunden Anordnung parallel zu der Drehebene des Zählerzeigers verläuft und ihr benachbart ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element ein Zeiger (12) eines Zählers ist, und daß zu der Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Feldes eine Platte gehört, die in einem Abstand von der Kreisbahn des Zählerzeigers und parallel dazu angeordnet ist, sowie mehrere Elektroden (20 - 25), die eine kreisrunde Anordnung in Beziehung zu einem Mittelpunkt bilden, der auf der Drehachse des Zeigerzählers angeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende Elektroden an aufeinanderfolgende Phasen der mehrphasigen Spannung angeschlossen sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl von Elektroden (20 - 25) vorhanden ist, und daß einander fortlaufend diametral gegenüberliegende Elektroden paarweise mit den aufeinanderfolgenden Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle (18) verbunden sind, wobei jeweils eine Elektrode jedes Paars an die

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positive Seite der entsprechenden Spannungsphase und die andere Elektrode an die negative Seite der entsprechenden Spannungsphase angeschlossen ist.
8. System zum Ermitteln der Winkelstellung, der Geschwindigkeit und/oder der Drehrichtung eines bewegbaren Elements, das um eine Drehachse gedreht wird und eine Kreisbahn bestimmt, gekennzeichnet durch eine Treiberschaltung mit einer Quelle (18) für eine mehrphasige Spannung, wobei zu der Treiberschaltung ferner ein Wandler (10) zum Aufnehmen der mehrphasigen Spannung und zum Erzeugen eines elektrischen Drehfeldes gehört, welches eine zu der Kreisbahn parallele Bahn bestimmt, wobei die Vektorsumme aller Phasen beim Fehlen jeder Änderungswirkung den Wert Null hat, eine Detektorschaltung zum Fühlen von Änderungen der Vektorsummen der Eingangsspannung der Treiberschaltung, die durch die jeweilige Lage des drehbaren Elements in dem elektrischen Drehfeld hervorgerufen werden und zum Aussenden eines die Lage des Elements anzeigenden Ausgangssignals, v/obei der Wandler in einem Abstand von dem bewegbaren Element (12) angeordnet, jedoch in keiner Weise mechanisch . oder elektrisch damit verbunden ist, abgesehen davon, daß sich ein Teil des drehbaren Elements in der Bahn des elektrischen Drehfeldes befindet, sowie einen Komparator (13) zum Empfangen des von der Detektorschaltung ausgesandten Ausgangssignals und zum Umwandeln der Vektorsumme der resultierenden Eingangs spannungen in ein die jeweilige Lage des drehbaren Elements anzeigendes elektrisches Signal.

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9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Wandler (10) eine Platte gehört, die in einem Abstand von der Kreisbahn und parallel zu ihr angeordnet ist, sowie mehrere Erregerelektroden (20 - 25), die eine zur genannten Drehachse symmetrische kreisrunde Anordnung bilden, wobei aufeinanderfolgende Elektroden an aufeinanderfolgende Phasen der genannten mehrphasigen Spannung angeschlossen sind.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Wandler eine Platte gehört, die in einem Abstand von der Kreisbahn und parallel zu ihr angeordnet ist, sowie eine gerade Anzahl von Erregerelektroden (20 - 25), die eine zu der Drehachse symmetrische kreisrunde Anordnung bilden, wobei aufeinanderfolgende Paare von einander diametral gegenüberliegenden Erregerelektroden an aufeinanderfolgende Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle (18) angeschlossen sind, und wobei eine Elektrode jedes Paars mit der positiven Seite der entsprechenden Spannungsphase und die andere Elektrode des betreffenden Paars mit der negativen Seite der entsprechenden Spannungsphase verbunden ist.
11. Verfahren zur Fernüberwachung der Winkelstellung, der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung eines bewegbaren Elements, dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrisches Feld erzeugt wird, das beim Fehlen irgendwelcher Änderungswirkungen bestimmte Merkmale aufweist, und in dem sich das bewegbare Element befindet, um

eine Änderung herbeizuführen, und daß die Änderung des Eingangssignals für das elektrische Feld nachgewiesen wird, die durch das Vorhandensein des bewegbaren Elements herbeigeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Erzeugung des elektrischen Feldes Maßnahmen gehören, um mehrere Elektroden auf bestimmte Weise gegenüber der Bewegungsbahn des. bewegbaren Elements anzuordnen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine symmetrische Anordnung bilden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Elektroden durch getrennte Eingangsleitungen mit einer mehrphasigen Spannung verbunden werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden eine kreisrunde Anordnung bilden und aufeinanderfolgende Elektroden dieser Anordnung paarweise einander diametral gegenüber angeordnet sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die paarweise einander diametral gegenüber angeordneten Elektroden an aufeinanderfolgende Phasen der mehrphasigen Spannung angeschlossen sind, und daß jeweils eine Elektrode jedes Paars mit der positiven Seite der entsprechenden

Spannungsphase und die andere Elektrode des "betreffenden Paars mit der negativen Seite der entsprechenden Spannungs-. phase verbunden ist.
17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Maßnahmen zum Erfassen von Änderungen des Eingangssignals des elektrischen Feldes Maßnahmen gehören, um jeder der Eingangs leitungen Abfragespannungen zu entnehmen und die Vektorsumme sämtlicher Abfragespannungen zu ermitteln, wobei diese Summe durch die sich ändernde Stellung des drehbaren Elements verändert wird.
18. Anordnung zur Fernüberwachung der Lage, der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung eines bewegbaren Elements, das aus einem magnetisch empfindlichen Material besteht, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Magnetfeldes, das beim Fehlen irgendwelcher ÄnderungsWirkungen gegebene Merkmale aufweist, wobei zu dieser Einrichtung eine Treiberschaltung gehört, die eine Spannungsquelle (16) aufweist, welche an mehrere Felderzeugungsspulen angeschlossen ist, um ihnen ein vorbestimmtes Eingangssignal zuzuführen, wobei die Spulen so angeordnet sind, daß sich das bewegbare Element (12) in dem Magnetfeld befindet, und wobei zu der Treiberschaltung eine Detektorschaltung gehört, die dazu dient, Veränderungen der Eingangssignale der Treiberschaltungen nachzuweisen, die durch die Änderungswirkung herbeigeführt werden, welche bei dem Magnetfeld dutch das bewegbare EIe-

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- 8 ment herbeigeführt werden.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle eine mehrphasige Spannungsquelle (18) ist.
20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Detektorschaltung relativ große Widerstände (30 - 35) zwischen der mehrphasigen Spannungsquelle (18) und den verschiedenen Felderzeugungsspulen sowie Abzweigungen gehören, die von jedem Eingang aus zu einem Summierungspunkt (50) gehören, und daß eine Meßeinrichtung (13) vorhanden ist, die dazu dient, die Vektorsumme der Potentiale sämtlicher Abzweigungen zu ermitteln, um festzustellen, v/o bei der Anordnung eine Verstimmung vorhanden ist, und wie groß diese Verstimmung ist.
21. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungsspulen eine symmetrische Anordnung bilden.
22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Element (12) ein Zeiger eines Zählers ist, daß die Spulen eine kreisrunde Anordnung bilden, und daß die Ebene der Spulenanordnung parallel zu der Drehebene des Zählerzeigers und in ihrer Nähe angeordnet ist.
23. Verfahren zum Ermitteln der Winkelstellung, der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung eines bewegbaren, magnetisch empfindlichen Elements, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld erzeugt wird, das beim Fehlen irgendwelcher ÄnderungsWirkungen bestimmte Merkmale aufweist, wobei das genannte Element in dem Feld angeordnet ist, um eine A'nderungs wirkung hervorzurufen, und daß die Änderungen der Eingangesignale des Magnetfeldes erfaßt werden, die durch das Vorhandensein des bewegbaren Elements hervorgerufen werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Maßnahmen zum Erzeugen des Magnetfeldes Maßnahmen gehören, um mehrere Spulen auf vorbestimmte Weise gegenüber der Bewegungsbahn des bewegbaren Elements anzuordnen.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen eine symmetrische Anordnung bilden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Spulen über getrennte Eingangsleitungen mit einer mehrphasigen Spannung verbunden werden.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen eine kreisrunde Anordnung bilden und die aufeinanderfolgenden Spulen dieser Anordnung einander paarweise diametral gegenüber angeordnet sind.

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28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare einander diametral gegenüber angeordneter Spulen an aufeinanderfolgende Phasen der mehrphasigen Spannungsquelle angeschlossen werden, daß jeweils eine Spule jedes Paars mit der positiven Seite der entsprechenden Spannungsphase und die andere Spule des betreffenden Paars mit der negativen Seite der entsprechenden Spannungsphase verbunden wird.
29. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Maßnahmen zum Erfassen von Änderungen der Eingangssignale des Magnetfeldes Maßnahmen gehören, um jeder der Eingangsleitungen Abfragespannungen zu entnehmen sowie Maßnahmen, um die Vektorsummen sämtlicher Abfragespannungen zu ermitteln, vio.bei diese Summe durch die Lage des drehbaren Elements verändert wird.