DE3825925A1 - Verschiebungsmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verschiebungsmeßvor­ richtung, bei der die Bewegungsstrecke einer an ein Meßobjekt angesetzten Sonde aus der Änderung der Schwingungsfrequenz eines Oszillators ermittelt wird. Insbesondere betrifft sie eine Verschiebungsmeßvorrichtung, mit der sich die Nutzungsdauer einer Batterie, die deren Elektronikteile speist, erheblich verlängern läßt.

Der in Fig. 1 gezeigte Meßtaster ist als tragbare Verschie­ bungsmeßvorrichtung zur Messung sehr kurzer Strecken an einem Meßobjekt auf 0,1 mm oder 0,01 mm Genauigkeit bekannt. Unter den bekannten Meßtastern dieser Art ist auch eine solche mit einer Digitalanzeige 3, die die von einer Tastsonde 2 durch­ laufene Strecke anzeigt. Zur Umwandlung der Bewegungsstrecke der Sonde 2 in ein elektrisches Signal enthält die Vorrichtung bspw. einen Oszillator sowie eine Einrichtung, die Änderungen von dessen Schwingfrequenz zu ermitteln gestattet. Insbesondere ist ein Kernelement auf einen Schaft aufgesetzt, der die Sonde 2 trägt; um das Kernelement sind zwei Spulen gewickelt, die in einem Colpitts-Oszillator arbeiten. Die Bewegungsstrecke des Kernelements, d. h. die Bewegungsstrecke der Sonde 2 wird aus der Änderung der Schwingfrequenz f des Oszillators bei einer Bewegung des von der Sonde 2 mitgenommenen Kernelements in den Spulen berechnet und das Rechenergebnis auf der Anzeige 2 numerisch dargestellt.

Die Fig. 2 zeigt mit einem Blockdiagramm die Elektronik der Verschiebungsmeßeinrichtung 1. Die Frequenz f des Colpitts-Os­ zillators 4 mit den Spulen, durch die das mit der Sonde2 ver­ bundene Kernelement verläuft, wird von einem Zähler 5 ermittelt und der entsprechende Zählwert in eine Arithmetik- bzw. Steuer­ einheit 6 mit einem Mikrocomputer oder dergl. gegeben. Die Steuereinheit 6 berechnet die Bewegungsstrecke der Sonde 2 aus der Änderung der eingegebenen Frequenz f. Die berechnete Länge der Bewegungsstrecke wird auf der Anzeige 3 numerisch ange­ zeigt.

Im Gehäuse der Verschiebungsmeßvorrichtung sitzt eine Batterie 7 zur Speisung der Elektronikbauteile 4, 5, 6 und 3 mit der Versorgungsspannung V _D . Ist bspw. die anfängliche Batterie­ spannung etwa 3,3 V (Nennspannung V _B = 3,0 V), wird die Aus­ gangsspannung Vo der Batterie 7 vom Booster 8 auf bspw. 4 bis 6 Volt angehoben und dann mit einer Stabilisierungsschaltung 9 zur Versorgungsspannung von bspw. etwa 3,6 V wieder herabge­ setzt. Die Versorgungsspannung V _D wird von der Stabilisierungs­ schaltung 9 immer auf einen vorbestimmten Wert geregelt und dann an den Oszillator 4, den Zähler 5, die Arithmetik- und Steuereinheit 6 und die Anzeige 3 gegeben.

Die Gründe für die Verwendung der Booster- und der Stabili­ sierungsschaltung 8 bzw. 9 in der angegebenen Anordnung sind folgende. Die Ausgangsspannung Vo einer frischen Batterie 7 hat einen Wert von 3,3 V; sie sinkt mit der Nutzungsdauer der Meß­ vorrichtung 1 infolge des Leitungsverbrauchs der Vorrichtungs­ elektronik. Um die Meßgenauigkeit der Vorrichtung zu erhalten, muß die Schwingfrequenz des Oszillators 4 und daher die an diesen gelegte Speisespannung V _D so stabil wie möglich gehalten werden.

Liegt die Nennspannung V _B der Batterie 7 weit genug über der Speisespannung V _D der Vorrichtungselektronik, ist ein Booster 8 nicht erforderlich.

Wird die Batterie 7 in einen Batteriehalter ohne Hauptschalter eingesetzt, um die Erstellungskosten der Vorrichtung niedrig zu halten, geht die Speisespannung V _D unmittelbar an die Elektro­ nikstufen 4, 5, 6 und 3.

In einer Verschiebungsmeßeinrichtung tritt hinsichtlich des An­ legens der Speisespannung V _D an die Vorrichtungselektronik nach einer Stabilisierung der Ausgangsspannung Vo der Batterie 7 auf die vorgeschriebene Spannung von bspw. 3,6 V mittels eines Boosters 8 und einer Stabilisierungsschaltung 9 folgendes Prob­ lem auf. Die Stabilisierungsschaltung 9 ist erforderlich, um die Gleichspannung auf eine stabile Speisespannung V _D herabzu­ setzen. Der Leistungsverbrauch der Stabilisierungsschaltung 9 entspricht der Summe der mit der Speisespannung V _D durch die Elektronikstufen fließenden Ströme und nimmt mit der Anzahl der aus der Stabilisierungsschaltung 9 mit der Spannung V _D ge­ speisten Stufe zu. Daher ist die Nutzungsdauer der Batterie 7 nicht zufriedenstellend.

Insbesondere ist in einer Verschiebungsmeßvorrichtung (Fig. 2), in der die Ausgangsspannung Vo der Batterie 7 mit einer Boosterschaltung 8 angehoben und dann mit einer Stabilisie­ rungsschaltung 9 auf den Sollwert gesenkt und stabilisiert wird, der Leistungsverbrauch des Boosters 8, so daß sich die Nutzungsdauer der Batterie weiter verkürzt.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verschiebungs­ meßvorrichtung anzugeben, bei der die Speisespannung nur an den Oszillator über eine Stabilisierungsschaltung gelegt wird, um deren Leistungsverbrauch so gering wie möglich zu halten, so daß die Nutzungsdauer der Batterie sich unter Beibehaltung einer hohen Meßgenauigkeit erheblich verlängern läßt.

Dieses Ziel läßt sich erreichen mit der vorliegenden Erfindung, die eine Verschiebungsvorrichtung schafft, die eine an ein Meßobjekt ansetzbare Sondeneinrichtung, einen Oszillator mit einem mit der Sondeneinrichtung verbundenen Kernelement sowie eine um das Kernelement gewickelte Spule, wobei der Oszillator bei einer Bewegung des Kernelements in der Spule infolge der Bewegung der Sondeneinrichtung eine der Bewegungsstrecke ent­ sprechende Schwingfrequenz liefert, eine Zähleinrichtung, die die Schwingfrequenz des Oszillators bestimmt und ein dieser entsprechendes Zählsignal liefert, eine Arithmetik- und Steuereinheit, die aus dem Zählsignal aus der Zähleinrichtung die Bewegungsstrecke der Sondeneinrichtung berechnet, eine Anzeige zur sichtbaren Darstellung der Länge der von der Arithmetik- und Steuereinheit berechneten Bewegungsstrecke, eine Batterieanordnung, die die Speisespannung für den Oszil­ lator, die Zähleinrichtung, die Arithmetik- und Steuereinheit und die Anzeige liefert, eine zwischen die Batterieanordnung und den Oszillator gelegte Spannungs-Stabilisierungsschaltung, die die Speisespannung aus der Batterieanordnung auf einen vor­ bestimmten Wert stabilisiert und an den Oszillator legt, und Mittel aufweist, die die Speisespanung aus der Batterieanord­ nung unmittelbar an die Zähleinrichtung, die Arithmetik- und Steuereinheit und die Anzeige legt.

Bei der erfindungsgemäß angeordneten Verschiebungsmeßvorrich­ tung geht die Ausgangsspannung der Batterie als Speisespannung an den Zähler, die Arithmetik- und Steuereinheit, die Anzeige und dergl.; weiterhin wird die Batteriespannung von der Stabi­ lisierungsschaltung auf einen vorbestimmten Wert stabilisiert und mit diesem an den Oszillator gelegt.

Verändert sich die Speisespannung einer analog arbeitenden Schaltungsstufe wie eines Oszillators, werden sich auch deren Ausgangseigenschaften ändern. Digitale Schaltungselemente für die digitale Signalverarbeitung - bspw. ein Zähler, die Arith­ metik- und Steuereinheit und die Anzeige - erfahren derartige Änderungen jedoch nicht, sofern die Speisespannung innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bleibt; ihre Eigenschaften werden daher auch dann nicht beeinträchtigt, wenn sie unmittelbar aus der Batterie gespeist werden. Folglich läßt sich die Leistungs­ aufnahme der Stabilisierungsschaltung verringern.

Weitere Ziele und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung er­ geben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt das Aussehen einer herkömmlichen Verschiebungsmeß­ vorrichtung;

Fig. 2 zeigt als Blockdiagramm die Schaltung einer herkömmli­ chen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 3 zeigt als Blockdiagramm die Schaltung einer erfindungs­ gemäßen Verschiebungsmeßvorrichtung;

Fig. 4 zeigt als Perspektivdarstellung eine Verschiebungsmeß­ vorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 5 zeigt die räumliche Zuordnung des Kernelements und der Spulen im Oszillator der Fig. 3;

Fig. 6 zeigt als Diagramm den Zusammenhang zwischen der Fre­ quenzänderung des Oszillators in der Ausführungsform der Fig. 3 und der Bewegungsstrecke der Sonde;

Fig. 7 zeigt anhand eines Stromlaufs Einzelheiten des Span­ nungsboosters der Fig. 3.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll nun anhand der Zeichnungen ausführlich erläutert werden.

Die Fig. 4 zeigt als Perspektivdarstellung das Aussehen der Verschiebungsmeßvorrichtung nach dieser Ausführungsform. Die Sonde 13 steht durch den Führungsschaft 12 am Boden des Ge­ häuses 11 vor, das im wesentlichen die Gestalt eines rechtwink­ ligen Parallepipeds hat, und ist relativ zum Gehäuse 11 verti­ kal bewegbar. Funktionsschalter 14 für die Betriebsartenwahl, den Nullabgleich und dergl. sowie eine LCD-Anzeige 15 sind auf der Frontplatte des Gehäuses 11 angeordnet.

Die Anzeige 15 weist einen Ziffernteil 15 a zur 6stelligen An­ zeige der Länge der Bewegungsstrecke der Sonde 13 sowie einen Zeichenteil 15 b auf, in dem mit den Zeichen "<" und "<" ange­ zeigt wird, daß ein Meßwert nach unten bzw. oben aus dem Soll­ bereich herausfällt, und das Zeichen BAT auf eine zu niedrige Batteriespannung hinweist.

Die Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Verschiebungsmeßvorrich­ tung. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen bekannten Colpitts- Oszillator. Die Kondensatoren 18, 19 und der Widerstand 20 sind mit der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 17 verschaltet. Eine Primärspule 21 ist mit einem Ende an die Basis des Tran­ sistors 17 gelegt. Zwischen dem anderen Ende der Spule 21 und dem Widerstand 20 liegen parallel die Reihenzweige aus der Sekundärspule 22 a und dem Schalter 23 a einerseits und der Sekundärspule 22 b und dem Schalter 23 b andererseits. Die Se­ kundärspulen 22 a, 22 b haben die gleiche Impedanz. Die Primär­ spule 21 und die Sekundärspulen 22 a, 22 b sind so angeordnet, daß die Primärspule zwischen den beiden Sekundärspulen liegt; vergl. Fig. 5. Der am Schaft der Sonde 13 befestigte Kern 24 verläuft durch die Spulen 21, 22 a, 22 b hindurch. Der Schaft der Sonde 13 ist über eine Feder im Oberteil des Gehäuses 11 fest­ gelegt. Bewegt die Sonde 13 sich aufwärts, verlagert sich der Kern 24 zur Sekundärspule 22 a hin, so daß die Kopplung zwischen der Primärspule 21 und der Sekundärspule 22 a zunimmt; bewegt sie sich abwärts, verlagert der Kern 24 sich zur Sekundärspule 22 b, so daß deren Kopplung mit der Primärspule 21 zunimmt.

Befindet sich der Kern 24 in der Mittenlage (Bezugslage) in der Primärspule 21, ist, wenn nur der Schalter 23 a geschlossen ist, die Schwingfrequenz f _A des Oszillators 16 gleich der Schwing­ frequenz f _B des Oszillators, wenn nur der Schalter 23 b ge­ schlossen ist. Nimmt der Kern 24 eine andere als die Mittenlage ein, sind f _A und f _B unterschiedlich; ihre Differenz f (= f _A - f _B ) entspricht der Ablage D des Kerns 24 von der Bezugslage. Der Zusammenhang zwischen Frequenzdifferenz f und Bewegungs­ strecke D ist fast linear; vergl. Fig. 6.

Die Schwingfrequenz f _A , f _B des Oszillators 16 werden am Emitteranschluß des Transistors 17 bzw. am gemeinsamen Anschluß der Kondensatoren 18, 19 abgenommen und von einem Zähler 25 be­ stimmt und zu digitalen Werten f _A , f _B umgewandelt, die an die Einheit 26 gehen. Diese Arithmetik- und Steuereinheit 16 ent­ hält bspw. einen Mikrocomputer, verschiedene Ein/Ausgabe-Ports, ROM- und RAM-Speicher und dergl. Die Einheit 26 schließt und öffnet die Schalter 23 a, 23 b im Oszillator 16 abwechselnd an­ sprechend auf ein in vorbestimmten Intervallen auftretendes Unterbrechungssignal aus dem Zeitgeber 27. Sie berechnet aus den Schwingfrequenzwerten aus dem Zähler 25 deren Differenz f = (f _A - f _B ) und aus dieser die Bewegungsstrecke D der Sonde 13 relativ zur Bezugslage, indem sie eine Gleichung D = F (f) ansetzt (vergl. Fig. 6), die tabellarisch im Speicher abgelegt ist. Die berechnete Länge der Bewegungsstrecke wird auf der Anzeige 15 sichtbar ausgegeben.

Da die Batterie 28 bei einer Nennspannung V _B = 2,0 V eine Anfangsspannung von bspw. etwa 3,3 V hat, enthält das Gehäuse 11 eine Boosterschaltung 30, die die Batteriespannung Vo ver­ doppelt, sowie eine Stabilisierungsschaltung 30, die die Aus­ gangsspannung V ₁ des Boosters 29 auf einen vorbestimmten Wert von bspw. 3,6 V stabilisiert; diese stabilisierte Spannung geht dann als Speisespannung V _D auf den Kollektor des Transi­ stors 17 im Oszillator 16.

Die Ausgangsspannung Vo der Batterie 28 wird unmittelbar als Speisespannung V _D an die Stromversorgungsanschlüsse des Zählers 25, der Arithmetik- und Steuereinheit 26 und der Anzeige 15 ge­ geben.

Zum Heraufsetzen einer Gleichspannung im Booster 29 ist eine Anzahl von Schaltungsanordnungen entwickelt worden. In der hier gezeigten Ausführungsform wird eine sogenannte "Kondensator­ pumpe" verwendet (Fig. 7), da sie sich durch einen niedrigen Leistungsverbrauch auszeichnet. Der Booster 29 weist zwei Kon­ densatoren 31, 31 b, die verkoppelten Kontaktpaare 32 a, 32 b und 33 a, 33 b zum Umschalten der Anschlußzustände der Kondensatoren 31 a, 31 b, einen Oszillator 34, einen Inverter 35 sowie eine Diode 36 auf. Der Oszillator 34, der Inverter 35 und die Diode liefern Signale, mit denen die Kontakte 32 a . . . 33 b mit vor­ bestimmter Frequenz betätigt werden.

Bei der beschriebenen Boosterschaltung wird der Kondensator 31 a durchweg über die Diode 36 mit der Ausgangsspannung Vo der Bat­ terie 28 geladen. Während der positiven Halbwelle des Wechsel- Ausgangssignals aus dem Oszillator 34 werden die Kontakte 33 a, 33 b geschlossen, während die Kontakte 32 a, 32 b offen sind. Der Kondensator 31 b wird über die Kontakte 33 a, 33 b mit der Aus­ gangsspannung Vo der Batterie geladen. Während der negativen Halbwelle des Wechsel-Ausgangssignals des Oszillators 34 sind die Kontakte 33 a, 33 b offen und die Kontakte 32 a, 32 b ge­ schlossen. Dann wird auch das positive Potential der Batterie an den Masseanschluß des Kondensators 31 b gelegt, so daß seine Ladung in den Kondensator 31 a abfließt. Die Anschlußspannung des Kondensators 31 a, d. h. die Ausgangsspannung V ₁ des Boosters 29, beträgt das Doppelte der Ausgangsspannung Vo der Batterie 28.

Wird in eine wie oben beschriebene aufgebauten Verschiebungs­ meßvorrichtung eine frische Batterie 28 eingesetzt, hat deren Ausgangsspannung Vo einen Anfangswert von etwa 3,3 V; sie geht unmittelbar als Speisespannung V _D auf die Arithmetik- und Steuereinheit 26 mit dem Mikrocomputer, den Zähler 25 und die LCD-Anzeige 15. Weiterhin wird sie vom Booster 29 fast ver­ doppelt und an die Stabilisierungsschaltung 30 gelegt, die sie auf einen vorbestimmten Wert von 3,6 V absenkt und stabili­ siert. Diese stabilisierte Spannung vorbestimmter Höhe geht als Speisespannung V _D an den Oszillator 16. Da der zulässige Spei­ sespannungsbereich für den Zähler 25, die Arithmetik- und Steuereinheit 26 und die Anzeige 16 von etwa 4,0 V bis 2,8 V reicht, können der Oszillator 16, der Zähler 25, die Arithme­ tik- und Steuereinheit 26 und die Anzeige 25 normal arbeiten.

Ist nach dem Einsetzen einer frischen Batterie 28 eine vorbe­ stimmte Zeitspanne vergangen und die Batteriespannung bspw. auf etwa 3,0 V gesunken, beträgt nun auch die Speisespannung für den Zähler 25, die Arithmetik- und Steuereinheit 26 und die An­ zeige 15 nur noch 3,0 V. Damit ist jedoch ein normaler und feh­ lerfreier Betrieb der Elektronikstufen 25, 26, 15 weiterhin möglich, wie oben beschrieben.

Sofern nicht die Ausgangsspannung V ₁ des Boosters 29 auf 3,6 V oder weniger abfällt, d. h. die Batteriespannung Vo auf 1,8 V oder weniger gesunken ist, bleibt infolge der Stabilisierungs­ schaltung 30 die Versorgungsspannung V _D für den Oszillator auf dem vorbestimmten Wert von 3,6 V.

Fällt die Ausgangsspannung Vo der Batterie 28 auf 2,8 V (kriti­ sche Spannung) oder weniger ab, kommt es oft zu Funktions­ fehlern des Zählers 25, der Arithmetik- und Steuereinheit 26 und der Anzeige 15; dann wird das Zeichen BAT auf der LCD-An­ zeige eingeschaltet.

Bei einer wie oben beschrieben aufgebauten Verschiebungsmeß­ vorrichtung sind der Booster 29 und die Stabilisierungsschal­ tung 30 im Versorgungszweig für den Oszillator 16 enthalten, dessen Versorgungsspannung genau auf einem vorbestimmten Wert (3,6 V) gehalten werden muß. Im Versorgungszweig für Elektro­ nikstufen wie den Zähler 25, die Arithmetik- und Steuereinheit 26 und die Anzeige 15 können derartige Schaltungen entfallen, da deren Versorgungsspannung nicht auf einen vorgeschriebenen Wert stabilisiert werden muß. Man kommt also gegenüber bekannten Anordnungen (Fig. 1) mit einem erheblich niedrigeren Ausgangs­ strom der Stabilisierungsschaltung 30 aus. Beispielsweise beträgt der Ausgangsstrom für nur den Oszillator 16 etwa 200 µA. Der Leistungsverbrauch der Stabilisierungsschaltung ist also er­ heblich geringer und damit die Nutzungsdauer der Batterie 28 entsprechend länger.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beschriebene spezielle Ausführungsform beschränkt. Läßt sich die Anfangs­ spannung V _B der Batterie weit genug über dem vorbestimmten Wert (bspw. 3,6 V) für den Oszillator 16 (bspw. 3,6 V) innerhalb des zulässigen Versorgungsspannungsbereichs (4,0 bis 2,8 V) für die Elektronikstufen halten, kann die Boosterstufe 29 entfallen.

Claims (1)

1. Verschiebungsmeßvorrichtung mit einer an ein Meßobjekt an­ setzbaren Sonde (13), einem Oszillator (16) mit einem mit der Sonde (13) verbundenen Kern (12) und einer um den Kern (12) gewickelten Spulenanordnung (21, 22 a, 22 b), der eine der Be­ wegungsstrecke der Sonde entsprechende Schwingfrequenz abgibt, wenn bei einer Bewegung der Sonde der von ihr mitgenommene Kern (12) sich in der Spulenanordnung (21, 22 a, 22 b) ver­ schiebt, einem Zähler (25), der die Schwingfrequenz des Os­ zillators (16) bestimmt und einen dieser entsprechenden Zähl­ wert ausgibt, einer Arithmetik- und Steuereinheit (26), die aus dem Zählwert aus dem Zähler (25) die Länge der Bewegungsstrecke der Sonde (13) bestimmt, eine Anzeigeeinheit (15) zur sicht­ baren Anzeige der von der Einheit (26) berechneten Länge der Bewegungsstrecke, und einer Batterie (28) zur Speisung des Oszillators (16), des Zählers (25), der Arithmetik- und Steu­ ereinheit (26) und der Anzeige (15), gekennzeichnet durch
   eine zwischen die Batterie (28) und den Oszillator (16) geschaltete Spannungs-Stabilisierungsanordnung (29, 30), die die von der Batterie (28) gelieferte Spannung stabilisiert und mit vorbestimmter Höhe an den Oszillator (16) legt, und
   Mittel (40), um die Ausgangsspannung der Batterie (28) unmittelbar an den Zähler (25), die Arithmetik- und Steuerein­ heit (26) und die Anzeige (15) zu legen.