NO138313B - Fotoelektrisk potensiometeranordning. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fotoelektrisk potensiometeranordning for frembringelse av en innstillbar utgangsspenning ved unngåelse av bevegelige strømtilførsler, med en lyskilde og en lys-følsom mottaker, fortrinnsvis et fotoelement, idet en slissmaske er forskyvbart anordnet i den optiske bane mellom lyskilden og fotoelementet.

o

En sådan fotoelektrisk potensiometeranordning er kjent

fra US-PS 3 358 150. Den kjente potensiometeranordning fremstil-ler et sinus-cosinus-potensiometer med et hus i hvis indre det er anordnet en lyskilde. I huset rager det inn en dreieaksel som fører slissmasken ved husets innervegg forbi en åpning ved hvil-

ken det utenfra er festet en lysømfintlig mottaker. Slissmasken bærer avskygninger i form av en sinussvingning, slik at det ved dreining av akselen med tilsvarende hastighet kan oppnås en øns-

ket utgangsspenning på den lysømfintlige mottaker. En tilbake-føring eller en annen korreksjon av utgangsstørrelsen er ikke anordnet .

En liknende fotoelektrisk potensiometeranordning, som

også arbeider uten direkte slepekontakter og under unngåelse av bevegelige strømtilførsler, er kjent fra US-PS 3 539 816. Ved denne anordning er det i en ytre hulsylinder anordnet en indre hulsylinder som oppviser en sliss i sin sidevegg og i hvis indre det er anordnet en lampe. Den ytre hulsylinders innerflate bærer et lysømfintlig, utstrakt halvledersjikt. Ved dreining av den indre hulsylinder oppnår man ved påtrykning av en ytre spenning en fotoelektrisk potensiometeranordning som i forhold til normale potensiometre oppviser fordeler for så vidt som det tilveiebrin-ges en meget høy, mulig justeringshastighet, en høy oppløsning og et slitasjefritt spenningsuttak. Riktignok kan man med utstrek-ningen av halvledersjiktet ikke vente at det skal kunne dannes

utgangsspenninger med høy presisjon, og heller ikke er det anordnet en tilbakeføring eller en annen innvirkning på utgangsspen-ningens linearitet.

En ytterligere fotoelektrisk motstandsanordning er kjent fra DL-PS 53 166. Denne kjente anordning har som formål å tilveiebringe en motstand hvis motstands- hhv. ledningsevnedata kan endres potensialfritt i avhengighet av en elektrisk påvirk-ningsstørrelse. For dette formål benyttes en fotomotstand som endrer sin motstand hhv. 'sin ledningsevne i avhengighet av den innstrålte lysmengde. På grunn av de normalt meget ulineære egen-skaper for sådanne fotomotstander er det anordnet en linearise-ringskopling som består av en andre, av den samme lyskilde j^elyst fotomotstand som frembringer en bare av lysstyrken avhengig, konstant utgangsstrøm som sammenliknes med inngangsstørrelsen i en differansekopling som på utgangen styrer lampen. På denne måte lykkes det å tilnærmet linealisere endringen av motstanden hhv. ledningsevnen i avhengighet av inngangsstørrelsen. Det består imidlertid feilkilder forsåvidt som allerede forutsetningsvis begge motstander må være absllutt like, hvilket bare meget vans-kelig lar seg realisere ved fotomotstander. Dessuten fører aldring og forhistorevirkninger til forskjellige reaksjoner på opp-rinnelig i det vesentlige like motstander. Dessuten tilstreber denne kjente fotoelektriske motstandsanordning også bare poten-sialfri endring av en elektrisk motstand og ikke en utgangsspenning som endres på forutbestemt måte i avhengighet av en mekanisk forskyvning. Det er ikke sørget for foranstaltninger for å foreta en presisjonsjustering.

Endelig er det fra artikkelen "Using fotocells for electro-opticai potensiometer" Brown og Tomasulo i tids-skriftet "Electronics products" fra september 1969, sidene 150 - 151, kjent en ytterligere fotoelek trisk potensiometeranordning for tilveiebringelse av en utgangssagtannsspenning. For simule-ring av en sagtanngenerator med tilsvarende steile flanker er to fotomotstander elektrisk seriekoplet og blir av en roterende slissblender vekselvis avdekket i forhold til en lyskilde.

For å oppnå en rask varmeutjevning ved en celle for måling av magnetfelters feltstyrke eller induksjon, er det fra DT-PS 590 678 videre kjent å anordne lakkovertrukket metall som

bærer for sjiktmotstandene.

Formålet med oppfinnelsen er å forbedre potensiometer-anordningen ifølge US-PS 3 358 150 på en slik måte at utgangsspenningen mest mulig nøyaktig svarer til slissmaskens forskyvnings-vei og er uavhengig av aldringsfenomener og andre forstyrrelser, og slik at den fotoelektriske mottakers linearitetsfeil utjevnes.

Ovennevnte formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved at to

av samme lyskilde belyste fotoelementer, nemlig et målefotoelement og et referansefotoelement, er anordnet i en ekvitermisk anordning, at det til målefotoelementet er knyttet en slissmaske med kontinuerlig forandrlig lysgjennomslippelighet, og det til referansefotoelementet er knyttet en slis smaske med linearitetskorreksjoner i form av avskygninger, og at referansefotoelementets utgangsstrøm tilføres til en styrekrets som holder denne utgangsstrøm konstant ved at den felles lyskilde er koplet til dennes utgang og endringer av utgangsstrømmen utjevnes over en påvirkning av lysintensiteten.

Ved en sådan potensiometeranordning er det fordelaktig at det oppnås en nøyaktig linearitet mellom slissmaskens juste-ringsvei eller justeringsvinkel og utgangsspenningen, at ikke-linearitetene for fotoelektriske mottakere kan unngås, at utgangsspenningen ikke oppviser noen temperaturgang og at det på grunn av anvendelsen av fotoelementer heller ikke må taes hensyn til for-historieeffekter, slik de opptrer ved fotomotstander. Videre har endringer av lysstyrken, lampens aldringsfenomener eller andre effekter ingen innflytelse på måleresultatet. I den fotoelektriske potensiometeranordning er det anordnet en lukket regulerings-eller styresløyfe i hvilken referansefotoelementet ligger og som på et bestemt sted tilføres en referanse- eller børverdi. Til-førselen av denne børverdi skjer fortrinnsvis ved hjelp av en forspent zenerdiode. Regulerings- eller styrekretsen setter da referansefotoelementets fotostrøm i forbindelse med denne børver-di og endrer, i den grad det er nødvendig, lysintensiteten for lyskilden i motsatt retning, slik at måleutgangen forblir konstant, helt upåvirket av sådanne variasjoner, og bare er avhengig av slissmaskeforskyvningen. På denne måte lykkes det også å utjevne linearitetsfeil i målefotoelementet ved at det på den til referansefotoelementet tilordnede slissmaske anordnes sjatteringer eller avskygninger som er slik utformet at linearitetsfeil for målefotoelementet blir kompensert.

Ifølge en fordelaktig utførelse er slissmaskene i form av filmstrimler og bæres av en felles opplagringsanordning. Det eir ved denne utførelse fordelaktig at f i Ims trimme len for målefotoelementet er forsynt med ensartet forløpende svartkiler, og at referansefilmstrimmelens avskygninger danner langs en strimmel-side anordnede randkorreksjoner.

Ytterligere utførelser av anordningen ifølge oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til teg-ningen, der fig. 1 viser oppbygningen av den mekaniske del av en potensiometeranordning, fig. 2 viser de benyttede slissmasker i form av filmstrimler under avvikling, fig. 3 viser en foretrukket anbringelse av lyskilden i forhold til måle- og referansefotoelement, og fig. 4a og 4b viser elektriske koplinger i hvilke hen-holdsvis målefotoelementet og referansefotoelementet er innbygd.

Den grunnleggende virkemåte for den fotoelektriske potensiometeranordning består i at en lysfølsom mottaker i form av et målefotoelement 8 bestråles av en stadig varierbar lysmengde og avgir en fotoelektrisk utgangsstrøm som er proporsjonal med den varierende bestråling. Etter forsterkning og omforming av denne fotoelektriske strøm/, fortrinnsvis ved hjelp av en motkoplet operasjonsforsterker, oppnås en utgangsspenning som er proporsjonal med en foranderlig lysmengde som påvirker fotoelementet. I det følgende skal beskrives hvordan man ifølge oppfinnelsen går frem for å oppnå at denne linearitet blir ytterst nøyaktig og for også å oppnå en tilsvarende stabilitet ved temperaturvariasjoner og aldringsfenomener for hele apparaturen.

Slik som vist på fig. 1, er en som potensiometerakse 3 utformet aksel fortrinnsvis på begge sider lagret i lagre 4 og 5 og kan utføre en dreiebevegelse. Med akselen 3 er fast forbundet to skiver 1 og 2 som opprettholder en viss innbyrdes avstand. De mot hverandre vendende kantområder av skivene 1 og 2, som fortrinnsvis er fremstilt av et metall, såsom aluminium, er forsynt med et ringformet innstikk eller spor 2 0 i hvilket slissmaskene, som er i form av filmstrimler 9 og 10 som er forsynt med svartkiler 22 hhv. avskygninger 23, er lagret. Filmstrimlene 9 og 10

er således sirkelformet anordnet og med sine tilhørende skiver 1

og 2 danner de med sine innersider mot hverandre vendende halvskall på potensiometerakselen 3.

I fremstillingen på fig. 2 er filmstrimlene 9 og 10

vist utviklet, og filmstrimmelen 9 er her knyttet til målefotoelementet 8 og filmstrimmelen 10 er knyttet til referansefotoelementet 7. Slik det også fremgår av fremstillingen på fig. 1, holdes de to filmstrimler fortrinnsvis noe romlig adskilt fra hverandre, og det samme gjelder for fotoelementene 8 og 7 som er anordnet tilgrensende til filmstrimlene 9 og 10. For avskjerming av sprede-lys er et skilleelement 21, f.eks. en deleskive, fortrinnsvis anordnet mellom filmstrimlene. Slik som vist på fig. 1, er fotoelementene 8 og 7 anordnet over lageranordningen for filmstrimlene 9 og 10 og over filmstrimlene, idet lyskilden 6 befinner seg i det indre av de halvskall-liknende elementer som er dannet av skivene 1 og 2 og filmstrimlene 9 og 10. På grunn av temperatur-likheten, dvs. for å holde målefotoelementet 8 og referansefotoelementet 7 i en ekvitermisk posisjon, er begge elementer anordnet på en metallblokk 11 med god varmeledningsevne. Ved anvendelse av tilsvarende teknologi er det imidlertid også mulig å fremstille fotoelementene av et eneste halvlederstykke, fortrinnsvis av et silisiumstykke.

Slik som vist på fig. 2, er det til filmstrimmelen 9 knyttede målefotoelement 8 forsynt med ensartet forløpende svartkiler 22, og det er således klart at ved en dreining av potens^io1-meterakselen 3 med samme dreievinkel, faller i samme grad forskjel-' lige lysmengder på målefotoelementet 8, slik at også dettes fotoelektriske utgangsstrøm endres i tilsvarende grad og det oppnås en sann avbildning av dreievinkelen ved hjelp av fotoelementets 8 utgangsstrøm. Slik som foran nevnt, viser fig. 4a at fotoelementets 8 fotoelektriske utgangsstrøm forsterkes ved hjelp av en operasjonsforsterker 12 med en tilbakekoplingsmotstand 13 og fremkommer som utgangsspenning UA.

Vesentlig i denne forbindelse er anordningen av referansefotoelementet 7 i en styrekrets, slik som vist på fig. 4b, og videre oppbygningen av den til dette fotoelement knyttede fiImstrimme1 10.

Fig. 2 viser at filmstrimmelen 10, som består av samme materiale som filmstrimmelen 9, i hovedsaken ikke er farget, men imidlertid er forsynt med langs siden anordnede avskygninger eller sjatteringer 23 som utgjør linearitetskorreksjoner. Det er åpenbart at da målefotoelementet 8 og referansefotoelementet 7 blir bestrålt av samme lyskilde 6, vil også referansefotoelementet 7 reagere på endringer i strålingsinterisiteten for lyskilden og på sjatteringene 23 med en endring av dets utgangsstrøm. Slik som vist på fig. 4b, er imidlertid referansefotoelementets 7 kopling slik anordnet at den til dette fotoelement knyttede styrekrets forsøker å holde referansefotoelementets 7 fotoelektriske utgangs-strøm konstant ved etterregulering av lysstyrken for lyskilden 6. For dette formål benyttes en over en motstand 15 bare meget løst motkoplet operasjonsforsterker 14 hvis inngang tilføres referansefotoelementets 7 utgangsstrøm. Som kjent forutsettes det også i det følgende at operasjonsforsterkeren er en motkoplingsbar for-sterker med en forsterkning som i idealtilfelle. er uendelig, og med en neglisjerbart liten inngangsstrøm, slik at tilsvarende operasjoner kan gjennomføres. Som vist er strømmen iD fra et referanseelement som i det foreliggende utførelseseksempel er en zenerdiode 18, nå motkoplet mot fotoelementets 7 utgangsstrøm I ir. Som vist på fig. 4b, er det for tilveiebringelse av tilsvarende forspenning for zenerdioden 18 anordnet en forspenningskilde -Uv med en tilhørende motstand 17. Referansestrømmen i flyter over en ytterligere motstand 16. Da slik som forutsatt, operasjonsforsterkerens 14 inngangsstrøm er negliserbait liten, og motstanden 15 på grunn av den løse motkopling er forholdsvis stor, oppnås at allerede en liten differansestrøm I p - iR „ = i g frembringer en betydelig utgangsspenning, slik at det allerede ved en ubetydelig endring av referansefotoelementets 7 utgangsstrøm lp skjer en merkbar utstyring av lyskilden 6 på operasjonsforsterkerens 14 utgang. Da nå imidlertid referansefotoelementet 7 (slik som målefotoelementet 8) belyses av lyset fra lyskilden 6, oppnås at variasjoner av den fotoelektriske strøm eller fotostrømmen lp utjevnes ved hjelp av tilsvarende lysintensitetsendringer. Dette betyr videre at man imidlertid også ved hjelp av referansefilmstrimmelen 10 kan kompensere for linearitetsfeil som målefotoelementet 8 oppviser, nemlig i form av sådanne sjatteringer eller avskygninger 23, at det, når en sådan linearitetsfeil (som selvsagt må være kjent) opptrer ved en gitt bøyevinkel, på grunn av reguleringsvirkningen ved hjelp av referansekretsen skjer en tilsvarende etterinnstilling av lysutgangsytelsen for lyskilden 6. Linearitetsfeilene for fotoelementene er vanligvis ikke kjent på forhånd, slik at det er hensiktsmessig at avskygningene på refe-ransesiden, dvs. på referansefilmstrimmelen 10, for linearisering anbringes senere. Man går da frem slik at man etter montering av potensiometeret enten for hånd eller automatisk foretar en delvis avskygning av filmstrimmelen 10, på en slik måte at man oppnår høyest mulig nøyaktighet. For dette formål blir det hensiktsmessig benyttet målekopling, slik at man også kan foreta en automati-sering av dette korreksjonsforløp på den måte at målekoplingens utgangsstrøm, koplet mot et absolutt lineært stigende signal, blir det korreksjonssignal som styrer det mekaniske avskygnings-forløp. På denne måte oppnås mulighet til å sjalte ut alle stør-relser som har innflytelse på lineariteten, og disse er eksempel-vis unøyaktigheter i selve den kileformede målefiImstrimme1, ikke-lineariteter i målefotoelementet, uregelmessigheter i lyskil-dens belysningskarakteristikk og endelig de mekaniske unøyaktig-heter i oppbygningen. Samtlige av disse omstendigheter som gjør seg merkbare som linearitetsfeil, kan på denne måte elimineres.

En sådan regulering i form av en justering av lampens lysstyrek skjer ved tilkoplende drift av potensiometeret selvsagt også når det eventuelt ved selve lyskilden opptrer temperaturvariasjoner, aldringsfenomener og matespenningsvariasjoner, da disse ville føre til en tilbakegang av den fotoelektriske strøm lp som styrekretseh da på tilsvarende måte motvirker. Slik det klart vil innses, lykkes det også på denne måte å utjevne temperaturvariasjoner, da det ved en øket temperatur på de to fotoelementer 8 og 7 også skjer en tilsvarende, motsatt etterinnstilling av belysningsintensiteten. For en fagmann er det åpenbart at når motstanden 15 og dermed reguleringsforsterkningen velges tilstrekkelig stor, kan selv store endringer av fotoelementets følsomhet eller lampens virkningsgrad i stor utstrekning utreguleres uten merkbare endringer av fotostrømmen lp.

Ifølge et fordelaktig trekk ved oppfinnelsen blir det

som lyskilde 6 benyttet en luminescensdiode, fortrinnsvis av gal-liumarsenid. Slik som fremstillingen på fig. 3 viser, er denne forskjøvet i forhold til stillingen av fotoelementene 8 og 7, og . altså ikke som på fig. 1 anordnet på midten, slik at den største del av lysmengden 19 innfaller på målecellen 8. Dette har to fordeler. For det første er det på grunn av denne tilsiktet forskjellig valgte lysfordeling mulig å foreta linearitetskorreksjoner ved ytterkanten av referansefilmstrimmelen 10, slik som vist på fig.

2, hvorved det muliggjøres forholdsvis store avskygninger, på tross av de vanligvis i seg selv bare små nødvendige linearitetskorreksjoner, slik at det også kan arbeides meget nøyaktig.

Videre er det på denne måte mulig å fordele den på målefotoelementet og på referansefotoelementet innfallende lysmengde slik som forholdet mellom måleoperasjonsforsterke rens 12 maksimale utgangsspenning UA og referanseutgangsspenningen til lyskilden 6, slik at det for motstandene 13 og 16 oppnås like store verdier som kompenseres under temperaturgangen. Endelig blir det for fotoelementene 7 og 8 med fordel benyttet siliciumfotoelementer, da siliciumfotoelementer ikke har noen remanensoppførsel slik som fotomotstander, og da de videre har en knapt merkbar aldring, oppviser en reproduserbar temperaturgang og er meget raske.

Ved enhver endring av den fotoelektriske strøm som kom-mer fra referansefotoelementet 7, blir altså lyskilden 6 etterre-gulert på en slik måte at den samme fotostrøm til stadighet bibe-holdes, slik at måleutgangsspenningen UA uavhengig av temperaturen, av en eventuell aldring av lyskilden og av iboende linearitetsfeil i fotoelementene og liknende, til stadighet og helt nøyaktig er proporsjonal med den aktuelle stilling av svartkilene 22, slik at en endring utelukkende avhenger av forskyvningen eller dreievinkelen.

Slissmaskene må ikke nødvendigvis være filmstrimler, idet det her i prinsipp kan velges enhver vilkårlig oppbygning, eksempel-vis også skiver av glass som selv er lysgjennomslippelige og som allerede er forsynt med de to forskjellige lysgjennomslippelige spor. Videre kan også den mekaniske oppbygning i forhold til ut-førelseseksemplet på fig. 1 være forskjellig utformet på den måte at det ikke utføres noen dreiebevegelse, men bare en rent trans-latorisk bevegelse ved forskyvningen av svartkilene og avskygningene på filmstrimlene.

Claims (9)

1. Fotoelektrisk potensiometeranordning for frembringelse av en innstillbar utgangsspenning ved unngåelse av bevegelige strøm-tilførsler, med en lyskilde og en lysfølsom mottaker, fortrinnsvis et fotoelement, idet en slissmaske er forskyvbart anordnet i den optiske bane mellom lyskilden og fotoelementet, karakterisert ved at to av samme lyskilde (6) belyste fotoelementer (7, 8), nemlig et målefotoelement (8) og et referansefotoelement (7) , er anordnet i en ekvitermisk anordning, at det til målefotoelementet (8) er knyttet en slissmaske (9) med kontinuerlig foranderlig lysgjennomslippelighet, og det til referansefotoelementet (7) er knyttet en slissmaske med linearitetskorreksjoner i form av avskygninger (23), og at referansefotoelementets (7) utgangsstrøm (I ) tilføres til en styrekrets (14, 15, 16, 17, 18) som holder denne ut-gangsstrøm konstant ved at den felles lyskilde (6) er koplet til dennes utgang og endringer av utgangsstrømmen (1^) utjevnes over en påvirkning av lysintensiteten.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at slissmaskene er i form av filmstrimler (9, 10) og bæres av en felles opplagringsanordning (1, 2, 3, 4).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at filmstrimlene (9, 10) er anordnet i indre utsparin-ger (20) i to skiver (1, 2) som er lagret i en innbyrdes avstand på en aksel (3), og at lyskilden, fortrinnsvis en gallium-arsenid-lysdiode (6), er anordnet inne i det av skivene (1, 2) og filmstrimlene (9, 10) dannede rom og fotoelementene (7, 8) er anordnet uten-for dette rom.

4. Anordning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at filmstrimmelen (9) for målefotoelementet (8) er forsynt med ensartet forløpende svartkiler, og at referansefilmstrimmelens (10) avskygninger (23) danner langs en strimmel- side anordnede randkorreksjoner.

5. Anordning ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at de fortrinnsvis som silicium-fotoelementer utformede fotoelementer (7, 8) er anordnet ved siden av hverandre på en felles metallblokk (11) og at det mellom fotoelementene er anordnet endeleskive (21) for unngåelse av spredelysinnflytelse.

6. Anordning ifølge ett av kravene 1-5, karakterisert ved at lyskilden (6) i forhold til ved siden av hverandre anordnede fotoelementer (7, 8) er anordnet forskjøvet på en slik måte at den største del av lysmengden faller på målefotoelementet (8), og lysfordelingen ved referansefotoelementets (7) ytterkant er avtagende på en slik måte at tilstrekkelig store avskygninger (23) for små fotostrømendringer er mulig.

7. Anordning ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at målefotoelementets (8) fotoelektriske utgangs-strøm kan tilføres til en motkoplet operasjonsforsterker (12) på hvis utgang den til akselens (3) dreievinkel svarende utgangsspenning (UA) fremkommer.

8. Anordning ifølge ett eller flere av kravene 1-7, karakterisert ved at referansefotoelementets (7) ut-gangsfotostrøm (I P) kan tilføres til inngangen til en ytterligere operasjonsforsterker (14) med løs motkopling (stor motkoplingsmot-stand 15), og at det mot denne utgangsfotostrøm (I P) er motkoplet en konstant referansestrøm (i K) som frembringes ved en zenerdiode (18) over en motstand (17) og en spenningskilde (Uv).

9. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at lysfordelingen på målefotoelementet (8) og referansefotoelementet (7) ved forskjøvet lyskilde (6) svarer til forholdet mellom maksimal utgangsspenning fra operasjonsforsterkeren (12) og referanse-zener-diodens (18) spenning på en slik måte at det under temperaturgangen oppstår kompenserende, like store motstander både for tilbakeførings-motstanden (13) for måleoperasjonsforsterkeren (12) og for motstanden (16) som gjennomflytes av referansestrømmen (iR).