DE4015099A1 - Messwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwandler nach dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Lagemeßwandler weisen ein optisch kodiertes Teil auf, auf dem ein oder mehrere lichtundurchlässige und licht­ durchlässige Bereiche angeordnet sind, die durch einen optischen Lesekopf erfaßt werden. Die Meßwandler ermög­ lichen entweder eine absolute Messung der Lage oder sie arbeiten inkremental, indem die Stellung erfaßt wird durch eine gemessene Verschiebung von einer bekannten Ausgangsstellung.

In den Fällen, wo eine absolute Messung der Lage durch­ geführt wird, wird dies erreicht durch Verwendung ver­ schiedener parallel verlaufender Spuren, welche jeweils auf verschiedenen Pegeln kodiert sind, so daß die am gröbsten kodierte Spur die Lage innerhalb der ersten oder zweiten Hälfte der Spur identifiziert. Die nächste Spur identifiziert die Lage etwas genauer im Bereich von einem Viertel einer in vier Viertel eingeteilten Spur. Je mehr Spuren verwendet werden, umso genauer ist die auf diese Weise erhaltene Auflösung und damit die Genauigkeit der Lagemessung. Nachteilig ist hierbei, daß je genauer die Messung sein soll, umso mehr Spuren verwendet werden müssen, was einen entsprechenden Aufwand an Leseköpfen und zugeordneten optischen Komponenten bedingt, wodurch der Meßwandler sehr aufwendig wird. Für hohe Genauigkeiten ist es notwendig, die Stellungs­ daten im Multiplexbetrieb zu verarbeiten.

Inkremental arbeitende Meßwandler benötigen nur eine Spur, falls Richtungsinformationen nicht benötigt werden, wie dies beispielsweise bei rotierenden Meßwandlern der Fall ist, die sich nur in einer Richtung drehen. Die Spur besteht aus einem einfachen binären Taktmuster von einander abwechselnden Bereichen unterschiedlicher Cha­ rakteristik, wobei die Auflösung lediglich begrenzt ist durch die Leseauflösung des Lesekopfes. Die Meßwandler funktionieren durch Auf- und Abwärtszählen von einer bekannten Startstellung, wenn sich die kodierte Spur relativ zum Lesekopf bewegt. Bewegungen in entgegenge­ setzter Richtung können gemessen werden durch Verwendung einer zweiten Spur, um Informationen über die Richtung der Verschiebung zu erhalten. Obwohl diese inkremental arbeitenden Meßwandler einen einfachen Aufbau aufweisen, außerdem mit hoher Auflösung arbeiten können, weisen sie den wesentlichen Nachteil auf, daß bei einem Strom­ ausfall ein Verlust der Positionsdaten auftritt, der es notwendig macht, daß das kodierte Teil in die Aus­ gangsstellung zurückbewegt wird. Dies verhindert die Verwendung solcher Meßwandler in Einsatzgebieten, wo eine große Datensicherheit erforderlich ist und wo mit einer Unterbrechung der Stromversorgung zu rechnen ist.

Es besteht die Aufgabe, den Meßwandler so auszubilden, daß sein Aufbau etwa demjenigen eines inkrementen arbei­ tenden Meßwandlers entspricht, jedoch bei einem Stromaus­ fall die Lagedaten rasch wieder erhalten werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Bei einem Stromausfall findet wohl eine Löschung des Speichers bzw. des Schieberegisters statt. Bei Wiederin­ betriebnahme ist es jedoch lediglich erforderlich, eine Verschiebung des kodierten Teils in einer Richtung vor­ zunehmen, bis das Schieberegister gefüllt ist, womit dann die Prozeßeinheit genau in Absolutwerten die Stel­ lung des kodierten Teils bestimmen kann. In der Prozeß­ einheit kann zu diesem Zweck die Bitfolge des kodierten Teils abgelegt sein.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeich­ nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausfüh­ rungsform;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine kodierte Platte;

Fig. 3A-3C Darstellungen bei verschiedenen Stellungen der kodierten Platte;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer kodierten Platte und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausfüh­ rungsform.

Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, weist der Meß­ wandler eine Lichtquelle 1 auf, die längs der Bahn 2 eine optische Strahlung erzeugt, die auf einen Strahlungs­ teiler 3 auftritt, der konventionell aufgebaut ist. Der Strahlungsteiler 3 lenkt das Licht auf drei Öffnungen 31, 32 und 33, welche mit entsprechenden geraden Spuren 21, 22 und 23 längs einer optisch kodierten Platte 20 fluchten. Das durch die Platte 20 hindurchgehende Licht wird jeweils auf ein Ende von optischen Fasern 41, 42 und 43 fokussiert. Die Faserbündel 41 bis 43 verlaufen zu einer Sensoreinheit 50, wo das aus dem rückwärtigen Ende austretende Licht auf entsprechende Fotozellen 51 bis 53 fokussiert wird. Die Fotozellen 51 bis 53 erzeugen elektrische Signale in den Leitungen 61 bis 63, die zu einer Prozeßeinheit 70 führen, die später noch erläutert wird. Die Prozeßeinheit 70 erzeugt ein Ausgangssignal in der Leitung 71, das repräsentativ ist für die Stellung der kodierten Platte 20. Dieses Signal bewirkt eine An­ zeige bei der Anzeigeeinheit 80 oder wird in sonstiger Weise verarbeitet.

Die kodierte Platte 20 ist verbunden mit einem nicht dargestellten bewegbaren Teil, wie beispielsweise mit einer Druckmembran, deren Stellung bzw. Lage zu messen ist. Die Platte ist rechtwinklig ausgebildet und weist die drei Spuren 21 bis 23 auf, welche längs der Platte parallel zueinander verlaufen. Jede Spur besteht aus transparenten und opaken Bereichen, wobei die Platte selbst mit Ausnahme der transparenten Bereiche opak oder mit Ausnahme der opaken Bereiche der Spuren trans­ parent ausgebildet sein kann. Die obere Spur 21 in Fig. 2 weist ein pseudozufälliges Binärmuster auf der Länge 2 ⁿ. Dies ist auch dargestellt in der Folge der binären 0 und 1 in den Fig. 3A, 3B und 3C. Eine Eigenschaft der pseudozufälligen Binärfolgen der Länge 2ⁿ Bits be­ steht darin, daß wenn ein Fenster der Länge von n Bits über der Folge plaziert wird, die Lage des Fensters längs der Folge allein identifiziert wird durch die im Fenster erscheinenden Bits. Diese Eigenschaft wird in der vor­ liegenden Erfindung dazu verwendet, die Absolutstellung der kodierten Platte zu bestimmen.

Der Einfachheit halber wird eine Folge der Länge 2⁴ vorausgesetzt, d. h. 16 Bits und ein Fenster mit einer Länge von 4 Bits. In diesem Beispiel weist die Prozeß­ einheit 70 ein Schieberegister oder einen ähnlichen Spei­ cher 72 mit einer Länge von 4 Bits auf. Beim Start sei vorausgesetzt, daß die Platte 20 wie in Fig. 3A gezeigt angeordnet ist. Die erste Speicherstelle A im Speicher 72 weist daher den Binärwert 0 auf, während die anderen Speicherstellen B bis D leer sind. In diesem Stadium ist es ohne eine zusätzliche Information nicht möglich, die Lage der kodierten Platte 20 zu identifizieren, da sie sich in irgendeiner der acht Stellungen befinden kann, in welchen ein opaker Bereich vor dem Faserbündel 41 angeordnet ist. Bewegt sich nunmehr die Platte 20 um drei Bits nach links in die in Fig. 3B dargestellte Stellung, dann wird das Bit 0 der Speicherstelle A im Speicher über die Speicherstellen B und C zur Speicher­ stelle D verschoben. In die Speicherstelle C wird der Binärwert 0, in die Speicherstelle B der Binärwert 1 und in die Speicherstelle A der Binärwert 0 eingegeben. Der Speicher 72 enthält nunmehr eine Information über die vierten, fünften, sechsten und siebten Bits längs der Spur 21, womit die Lage der kodierten Platte nun­ mehr absolut identifiziert ist.

Da benachbarte Bits der Spur 21 nicht stets zueinander unterschiedlich sind, wird der Speicher 72 zur Verschie­ bung der Bits im Speicher getaktet in Abhängigkeit von Informationen, die von den beiden anderen Spuren 22 und 23 abgeleitet werden, die ebenfalls eine Information über die Richtung der Verschiebung der Platte 20 liefern.

Die beiden unteren Spuren 22 und 23 sind einfache Takt­ spuren von abwechselnd opaken und transparenten Bereichen, d. h. die Binärwerte 0 und 1 wechseln miteinander ab. Jedes Bit weist hierbei die gleiche Länge wie die Bits der oberen Spur 21 auf, wobei die der oberen Spur be­ nachbarte Spur 22 in Phase mit der oberen Spur angeordnet ist, so daß deren Bits miteinander fluchten. Das Ausgangs­ signal der der zweiten Spur 22 zugeordneten Fotozelle liefert also ein Taktsignal, das nach entsprechender Verarbeitung in der Prozeßeinheit 23 dazu verwendet wer­ den kann, das Schieberegister 72 zu takten.

Das Ausgangssignal der anderen Fotozelle 53, die der unteren Spur 23 zugeordnet ist, wird zusammen mit dem Signal der mittigen Spur 22 dazu verwendet, die Richtung der Bewegung der kodierten Platte zu bestimmen.

Wenn beispielsweise die Platte 20 aus einer Stellung startet, bei welcher beide Faserbündel 42 und 43 mit transparenten Bereichen der Spuren 22 und 23 fluchten, dann weisen die Ausgangssignale beider Fotozellen den Binärwert 1 auf. Bewegt sich die Platte nach links, dann ändert sich das Ausgangssignal der Fotozelle 53 vom Binär­ wert 1 zum Binärwert 0 bevor die Fotozelle 52 von 1 auf 0 sich verändert. Bewegt sich die Platte 20 dagegen in entgegengesetzter Richtung nach rechts, dann bewirkt dies, daß das Ausgangssignal der Fotozelle 52 von 1 auf 0 wechselt, bevor das Ausgangssignal der Fotozelle 53 ebenfalls von 1 nach 0 wechselt. Die Prozeßeinheit 53 erfaßt, bei welcher Fotozelle zuerst diese Wechsel auf­ tritt und leitet daraus ab, in welcher Richtung sich die Platte bewegt. Das entsprechende Ausgangssignal wird über die Leitung 74 dem Schieberegister 72 zugeführt, um die Richtung zu steuern, in welcher die Inhalte der Speicherstellen des Schieberegisters zu verschieben sind.

Um bei dem vorbeschriebenen Beispiel mit 2⁴ zu bleiben, weist also die Spur 21 folgende Bitfolgen auf: 000, 1001, 1010, 1111. Die Spur 22 weist die Bitfolge 10 auf, wobei die Bits deckungsgleich mit den Bits der Spur 21 sind. Die Spur 23 weist ebenfalls die Bitfolgen 10 auf, wobei diese Bits zu den Bits der Spuren 21 und 22 um eine halbe Bitbreite versetzt sind.

Die zuvor im Zusammenhang mit den Fig. 3A und 3B be­ schriebene Situation bezog sich auf eine Bewegung der Platte 20 nach rechts. Da der Eingang des Schieberegisters 72 linksseitig ist, wird bei einer weiteren Verschiebung der Platte 20 nach rechts der Inhalt der Speicherstelle D überlaufen und ein neues Bit wird in die Speicherstelle A eingegeben, so daß das Schieberegister Daten von vier einander benachbarten Bereichen der Spur 21 enthält. Wird jedoch die Platte 20 von der in Fig. 3B gezeigten Stellung um ein Bit nach links in die Stellung nach Fig. 3C verschoben, dann werden hierdurch die Inhalte der Speicherstellen A bis D um eine Speicherstelle nach links versetzt, so daß der ursprüngliche Inhalt der Speicher­ stelle A nach links überläuft und die Speicherstelle D leer wird. In diesem Zustand enthält das Schiebere­ gister 72 lediglich Daten von drei aufeinanderfolgenden Bereichen der Spur 21, nämlich die Bitfolge 100. Im all­ gemeinen reichen jedoch 3 Bits nicht aus, um die Stellung der Platte 20 als Absolutwert zu identifizieren. Wie beispielsweise der Fig. 3 entnehmbar ist, sind längs der Platte zwei Stellungen vorhanden, bei denen ein Fen­ ster mit drei Bits die Bitfolgen 010 oder 011 erfassen kann. Falls die Platte also in beiden Richtungen sich bewegen kann, ist es nicht möglich, die Stellung der Platte allein durch die obere Spur in Absolutwerten zu definieren. In Verbindung mit dem Ausgang des Prozessors 73 ist es jedoch möglich, unabhängig von der Bewegungs­ richtung, die Stellung der Platte allein zu definieren. Dies ist möglich, da der Prozessor von den Spuren 22 und 23 her bestimmen kann, daß die Platte 20 von der Stellung 0100 um ein Bit nach links verschoben wurde, womit ihre Stellung absolut definiert ist.

Falls die Stromversorgung des Systems unterbrochen wird, dann wird auch der Inhalt des Schieberegisters 22 ge­ löscht. Falls die Stromversorgung wieder vorhanden ist, dann führt dies dazu, daß die Speicherstelle A von neuem geladen wird. Sobald dann die Platte um drei Bits nach rechts verschoben wird, ist das Schieberegister an allen vier Speicherstellen geladen, womit die Stellung der Platte 20 als Absolutwert identifiziert ist. Nach einer Stromunterbrechung ist es also lediglich erforderlich, nach einem Verlust der Stellungsinformation bei neuvor­ handener Stromversorgung die Platte um drei Bits nach rechts zu verschieben, um die absolute Stellungsinforma­ tion zu erhalten, was jedoch weit weniger kompliziert ist, als die erforderlich Nullstellung bei einem reinen inkrementalen Meßwandler.

In einer Modifikation der Erfindung ist es möglich, zwei Schieberegister zu verwenden, denen die Ausgangssignale der Fotozelle 51 zugeführt werden, wobei jedoch das eine Schieberegister von links und das andere Schieberegister von rechts geladen werden. Damit wird das eine Schiebe­ register durch Verschiebungen der kodierten Platte nach rechts und das andere Schieberegister durch Verschiebe­ bewegungen nach links geladen. Nach einer Stromunter­ brechung muß dann die Platte 20 um drei Bits entweder nach rechts oder nach links verschoben werden, um eine Information über die Absolutstellung der Platte zu er­ halten. Alternativ dazu ist es möglich, ein Schiebere­ gister zu verwenden, das im vorgenannten Beispiel sieben Speicherstellen aufweist, d. h. allgemein ausgedrückt (2n-1) Speicherstellen, bei welchen der mittigen Spei­ cherstelle, d. h. der vierten Speicherstelle, Daten von der Spur 21 zugeführt werden. Diese Daten werden dann, je nach Verschieberichtung der Platte 20, im Speicher nach links oder rechts verschoben.

Bei einigen Meßwandlern bewegt sich die kodierte Platte nur in einer Richtung. Bei der Platte kann es sich bei­ spielsweise um eine Scheibe handeln, die sich in einer Richtung um ihr Zentrum dreht. Die Kodierspuren sind hierbei kreisförmig ausgebildet und konzentrisch zur Scheibe angeordnet. Alternativ dazu kann es sich bei der Platte um ein endloses Band handeln, das sich in einer Richtung dreht und bei dem die Spuren längs des Bands verlaufen. Bei solchen Meßwandlern ist es nicht nötig, Richtungsinformationen zu erzeugen, so daß ledig­ lich ein Schieberegister erforderlich ist. Auf die Spur 23 kann hierbei verzichtet werden, während die Spur 22 ausschließlich der Taktung dient.

Wo Richtungsinformationen benötigt werden, ist es nicht notwendigerweise erforderlich, zwei getrennte Spuren zu verwenden, welche phasenversetzt sind. Gemäß Fig. 4 wird nur eine einzige Spur 22′ hierzu benötigt, welche von zwei Faserbündeln 42′ und 43′ abgetastet werden, die im Abstand zueinander längs der Spur angeordnet sind, wobei der Abstand eine halbe Bitbreite oder ein ungerad­ zahlig Vielfaches davon beträgt, so daß ihre Zustände zu verschiedenen Zeitpunkten wechseln.

Die kodierte Meßwandlerplatte braucht nicht transparente und opake Bereiche aufzuweisen. Die Spuren können auch aus reflektierenden und nichtreflektierenden Bereichen bestehen, wie dies die Fig. 5 zeigt. Bei dieser Aus­ führungsform wird im Zeitmultiplexverfahren gearbeitet. Eine Lichtquelle 100 erzeugt Lichtimpulse, welche über einen ersten Koppler 101 einem optischen Faserkabel 102 und von dort einem zweiten Koppler 103 zugeführt werden. Dieser weist drei Ausgänge in Form von Verzögerungslei­ tungen 104, 105 und 106 auf. Die Verzögerungsleitungen verzögern die Lichtimpulse unterschiedlich lang, die einem Lesekopf 107 zugeführt werden, der seinerseits die Lichtimpulse auf die drei Spuren der kodierten Platte 108 fokussiert. Diese Lichtimpulse werden von dort zu­ rückreflektiert und gelangen über die Verzögerungslei­ tungen 104 bis 106 zurück zum zweiten Koppler 103 und sodann über das einzelne Kabel 102 zum ersten Koppler 101. Über eine optische Leitung 110 gelangen sodann die reflektierten Impulse zu einer Prozeßeinheit 111. Die Spuren auf der Platte 108 werden identifiziert aufgrund der verschiedenen Verzögerungen, die sich aufgrund der unterschiedlichen Lichtstreckenlängen ergeben. Ein Zeit­ multiplexverfahren kann auch verwendet werden bei anderen Formen der Kodierung.

Anstelle von optischen Kodierungen können auch andere Kodierungsarten Anwendung finden, wie beispielsweise eine Magnetkodierung oder eine Kodierung mittels leiten­ der und nichtleitender Bereiche.

Claims (10)

1. Meßwandler zur Bestimmung der Relativlage zwischen einem kodierten Teil und einem Sensor, wobei das kodierte Teil eine erste Kodierspur aufweist, die vom Sensor gelesen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Spur (21) ein pseu­ dozufälliges Binärmuster mit einer Länge von 2ⁿ Bits ist, der Sensor (50, 70) mit einem Speicher (72) verbunden ist, der eine Speicherkapazität von minde­ stens n Bits aufweist, der Sensor (50, 70) bei der Relativbewegung die aufeinanderfolgenden Bits des kodierten Teils (20) erfaßt, die im Speicher (72) abgelegt werden, bis dieser mindestens n Bits spei­ chert und eine Prozeßeinheit (70) aufgrund dieses Speicherinhalts die absolute Relativlage zwischen Sensor (50, 70) und dem kodierten Teil (20) bestimmt.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das kodierte Teil (20) eine zur ersten Spur (21) parallel verlaufende Spur (22) aufweist, die mit Bits der gleichen Länge wie die Bits der ersten Spur (21) kodiert ist und der Sensor (50, 70) zur Bestimmung der Grenzen der Bits der ersten Spur (21) die zweite Spur (22) abtastet.

3. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das kodierte Teil (20) eine zur zweiten Spur (22) parallel verlaufende dritte Spur (23) aufweist, diese dritte Spur (23) mit Bits der gleichen Länge wie die erste und zweite Spur (21, 22) kodiert ist, die Bits der dritten Spur (23) zu denjenigen der zweiten Spur (22) in Spurrichtung versetzt sind und der Sensor (50, 70) die zweite und dritte Spur (22, 23) abtastet und die Prozeßein­ heit (70) aufgrund der zeitlichen Folge der Bitwechsel der zweiten und dritten Spur (22, 23) die Richtung der Relativbewegung bestimmt.

4. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Sensoren (42′, 43′) vor­ gesehen sind, die längs der zweiten Spur (22′) im Abstand zueinander angeordnet sind, dieser Abstand einer halben Bitbreite oder einem ungeradzahlig Viel­ fachen davon entspricht und die Prozeßeinheit (70) aufgrund der zeitlichen Folge der Bitwechsel der von den beiden Sensoren erfaßten Bits die Richtung der Relativbewegung bestimmt.

5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Speicher mit einer Speicherkapazität von jeweils mindestens n Bits vorgesehen sind, in welche die gleichen Bits der ersten Spur (21) abgelegt werden, wobei bei einer Bewegung des kodierten Teils (20) in der einen Rich­ tung der eine Speicher gefüllt und der andere ent­ leert wird, und bei einer Bewegung in entgegengesetzter Richtung der andere Speicher gefüllt und der eine Speicher entleert wird.

6. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher eine Speicherkapazität von mindestens 2n-1 aufweist, die Bits der ersten Spur (21) der zentralen Speicher­ stelle des Speichers zugeführt wird, die entsprechend der Bewegungsrichtung des kodierten Teils (20) im Speicher in der einen oder anderen Richtung verscho­ ben werden.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kodierte Teil (20) eine Rechtecksform aufweist, die Spur bzw. die Spuren (21, 22, 23) geradlinig verlaufen und das kodierte Teil (20) geradlinig und parallel zu den Spuren verschiebbar ist.

8. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spur (21) optisch kodiert ist.

9. Meßwandler nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste Spur (21) aus trans­ parenten und opaken Bereichen besteht.

10. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (107, 103, 101, 111) mit dem kodierten Teil (108) im Zeit­ multiplexbetrieb zusammenarbeitet.