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Lichtelektrischer Meßgenerator Es ist bekannt, Drehgeschwindigkeiten
in der Weise zu messen, daß durch einen mit der Welle umlaufenden elektrischen Generator
eine der Drehgeschwindigkeit proportionale Frequenz erzeugt wird.
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Aus der Frequenz kann eine Meßgröße durch Frequenzunterscheidung oder
auch durch Impulsabzählung gewonnen werden, oder sie kann einer Regeleinrichtung,
z. B. zur Drehzahlkonstanthaltung zugeleitet werden. Neben induktiven Frequenzerzeugern
verwendet man, besonders für größere Genauigkeiten, lichtelektrische Frequenzgeneratoren,
bei denen ein Gitter aus abwechselnd lichtsperrenden und lichtweiterleitenden Elementen
eines Umlaufkörpers zwischen einer Lichtquelle und einem lichtelektrischen Wandler
rotiert. Für hohe Meßgenauigkeiten werden Gitter sehr feiner Teilung benutzt, die
aber schwierig herzustellen sind. Wenn ein solches ringförmiges Gitter, wie das
bei den bekannten Einrichtungen der Fall ist, durch ein an einer bestimmten Stelle
zwischen der Lichtquelle und dem lichtelektrischen Wandler verlaufendes ortsfestes
Lichtbündel hindurchrotiert, wirken sich Ungenauigkeiten der Teilung und weiterhin
auch Exzentrizitäten im Lauf des Gitterringes störend aus, indem sie den Meßwert
ungenau machen.
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Aus der deutschen Patentschrift 709029 ist ein Verfahren zur Verringerung
des Einflusses von Teilungsfehlern bei der Erzeugung periodischer Impulsreihen auf
lichtelektrischem Wege mit Hilfe einer umlaufenden Loch- oder Schlitzscheibe bekannt,
bei dem die Summenwirkung mehrerer jeweils gleichzeitig zur Deckung kommender Schlitzpaare
ausgenutzt wird, um bei der Herstellung der Schlitze aufgetretene Teilungsfehler
auszumitteln. Bei der in der genannten deutschen Patentschrift gezeichneten Anordnung
wird für die Impulsmittelung nur ein Sektor des Drehbereiches der Scheibe ausgenutzt,
andererseits sind verhältnismäßig aufwendige Mittel mit beträchtlichem Raumbedarf
für die Ausleuchtung des Gittersektors und die Konzentration des auszuwertenden
Lichtstromes auf eine Fotozelle vorgesehen. Eine gedrängtere räumliche Anordnung
wird in der USA.-Patentschrift 2977480 beschrieben. Sie dient dazu, den Betrag der
Herausdrehung einer Welle aus einer Nullage durch den Abstand zweier spitzenförmiger
Impulse und durch die Dauer eines Impulses darzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe
wird mit nur einem Schlitz in der Wellenscheibe sowie mit zwei lichtelektrischen
Wandlern gearbeitet, deren einer scheibenförmig bzw. halbkreisförmig ist und deren
anderer die Form eines schmalen Sektors hat.
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Die Erfindung betrifft einen lichtelektrischen Meßgenerator zur Erzeugung
einer von der Drehzahl einer Welle abhängigen Frequenz, bei dem ein Rundum-Radialgitter
aus abwechselnd lichtsperrenden und lichtweiterleitenden Elementen einer mit der
Welle umlaufenden Scheibe zwischen einer Lichtquelle und einem lichtelektrischen
Wandler rotiert, und ein weiteres konzentrisch zum umlaufenden Gitter angeordnetes,
ortsfestes derartiges Gitter, dessen Teilungen mit solchen des umlaufenden Gitters
übereinstimmen, zugleich mit dem umlaufenden Gitter im Strahlengang zwischen der
Lichtquelle und dem lichtelektrischen Wandler liegt, wobei über die gesamte Umfangslänge
des ortsfesten Gitters verteilte Lichtstrahlen beide Gitter und den Wandler beleuchten.
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Durch die Erfindung wird erreicht, daß der Meßgenerator raumsparend
als ein Aggregat von geringen Ausmaßen ausgebildet werden kann und daß dabei der
volle Winkelbereich von 360 Grad für die Ausmittelung von Teilungsfehlern der Lichtunterbrechungsgitter
ausgenutzt wird. Ferner können bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Meßgenerator
mehrere über 360 Grad ausgeleuchtete frequenzerzeugende Gitter mit unterschiedlichen
Teilungen in dem Aggregat verwendet werden, ohne es deswegen vergrößern bzw. nennenswert
vergrößern zu müssen.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß das ortsfeste Gitter als
ebenfalls rundum geteiltes Radialgitter einer konzentrisch und mit geringem Abstand
zu der umlaufenden Scheibe angeordneten ortsfesten Scheibe ausgebildet ist, daß
dicht vor der freien Seite der einen Scheibe (zweckmäßig der ortsfesten Scheibe)
im Gitterbereich ein ringförmiger lichtelektrischer Wandler liegt und daß vor der
freien Seite der anderen Scheibe für die Gitterbeleuchtung ein zur Wellenachse konzentrischer
Parabolspiegel mit einer im Brennpunkt liegenden annähernd punktförmigen Lichtquelle
angeordnet ist.
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Es kann insbesondere vorgesehen werden, daß beide Scheiben eine Mehrzahl
über ihren - ganzen Umfang ausgeleuchteter Gitter enthalten, welche Gitterpaare
mit unterschiedlichen Teilungen bilden, und daß jedem Gitterpaar ein eigener ringförmiger
lichtelektrischer Wandler zugeordnet ist.
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Die Anordnung kann gegebenenfalls auch so getroffen werden, daß die
zwischen den lichtundurchlässigen Stegen liegenden Lücken bei einem Gitter lichtdurchlässig
und. bei dem anderen Gitter lichtreflektierend sind, bei Anordnung der Beleuchtungseinrichtung
und des lichtelektrischen Wandlers auf derselben Seite des lichtdurchlässigen Gitters.
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Ferner kann es zweckmäßig sein, den Träger des ortsfesten Gitters
justierbar zu lagern.
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Die Zeichnungen zeigen ein Ausführungsbeispiel.
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In F i g. 1 ist ein Meßgenerator zur Erzeugung einer der Drehgeschwindigkeit
einer Antriebswelle proportionalen Frequenz dargestellt, der z. B. zur genauen Messung
der Abweichungen der Drehgeschwindigkeit von einem Sollwert oder zur genauen Ermittlung
von dynamischen Drehzahlschwankungen dienen kann. Eine Welle 5 wird über eine nicht
gezeichnete Kuppelvorrichtung starr mit der Antriebswelle des z. B. auf Gleichlaufkonstanz
zu untersuchenden Gerätes verbunden. An dem einen Ende der Welle ist eine Buchse
4 fest aufgepreßt, an der eine mit zwei Radialgittern 18 a und 18 b (Fig.2) versehene
Scheibe 15 genau zentrisch zur Wellenachse befestigt ist. Die Welle 5 mit der Buchse
4 und der Scheibe 15 läuft in einem Nadellager gel3, dessen äußere Lagerschale fest
in einem Ständer 12 sitzt.
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Der Ständer 12 ist tellerartig ausgebildet; auf der Stirnseite seiner
abgewinkelten Außenkante ist ein zur Wellenachse konzentrischer Parabolspiegel 3
mit einer spiegelnden Innenseite aufgeschraubt (Schrauben 6). In seinem Scheitelteil
steckt in einer Steckfassung 8 eine Glühbirne 2, die das für das Arbeiten des Meßgenerators
erforderliche Licht liefert. Der Glühdraht der Glühbirne 2 liegt im Brennpunkt des
Reflektors 3; dadurch werden die Lichtstrahlen so reflektiert, daß sie annähernd
parallel zur Parabelachse, die gleichzeitig auch die Drehachse der Welle 5 ist,
den Reflektor verlassen und nahezu senkrecht die Scheibe 15 beleuchten. Ein Teil
des Lichts fällt auf die Radialgitter 18a und 18 b (Fig.2), die jeweils aus lichtdurchlässigen
Schlitzen mit dazwischenliegenden lichtundurchlässigen Stegen bestehen. Die Teilung
der Gitter kann dabei so festgelegt sein, daß Stege und Schlitze gleicher Breite
entstehen, wie beispielsweise bei dem inneren Radialgitter der Fig. 2 dargestellten
Scheibe zu erkennen ist.
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Der Ständer 12 weist in seinem tellerförmig ausgebildeten Teil dreiwmit
jeweils einem Gewinde versehene Bohrungen auf, in denen jeweils eine Stiftschraube
9 in Richtung der Drehachse verstellt werden kann. Auf ihren verrundeten, zum Reflektor
3 hinzeigenden Enden liegt ein Tragring 8 in drei Punkten auf, der von drei an den
Schrauben 6 mitbefestigten Flachfedern 7 lagehaltend auf die Stiftschrauben 9 aufgedrückt
wird. Seitlich wird der Tragring 8 von weiteren drei gleichmäßig über den Umfang
verteilten Stiftschrauben l7, die in mit jeweils einem Gewinde versehenen Bohrungen
der abgewinkelten Außenkante des Ständers 12 bewegt werden können, zentrisch zur
Drehachse geführt. Auf dem so justierbar gelagerten Tragring 8 ist eine zur dreh-
baren
Scheibe 15 kongruente Scheibe 14, deren Radialgitter 18 insbesondere völlig gleichartig
zu jenen der Scheibe 15 ausgebildet sind, aufgeklebt. Mittels der Justierschrauben
9 und 17, welche die Position des Tragringes 8 festlegen, wird die Scheibe 14 sehr
nah an die dem Ständer 12 zugewandte Seite der Scheibe 15 herangebracht und konzentrisch
zur Drehachse justiert, so daß die Radialgitter beider Scheiben genau übereinanderliegen.
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Um das richtige Einstellen der Scheiben beim Einbauen zu erleichtern,
haben die beiden Scheiben 14 und 15 in der Nähe der Außenkanten jeweils einen konzentrischen,
durchsichtigen Ring 21 (F i g. 2) mit einer konzentrisch darin liegenden kreisförmigen,
dünnen Richtlinie, mit deren Hilfe unter Verwendung eines Mikroskops sowohl die
drehbare Scheibe 15 als auch, in Abhängigkeit dazu, die feste Scheibe 14 eingepaßt
werden können.
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Auf der zur drehbaren Scheibe 15 abgewandten Seite sind die Radialgitterl8a
und 18 b der festen Scheibe 14 mit zwei ringförmigen, entsprechend breit ausgelegten
Fotozellen 11 abgedeckt. Mehrere auf den Umfang verteilte Blattfederpaare 16, deren
eine Feder jeweils die eine Ring-Fotozelle und die andere Feder jeweils die andere
Ring-Fotozelle gegen das betreffende Radialgitter 18 a oder 18 b preßt, sind mittels
Schrauben 22 an dem Tragring 8 befestigt.
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Die Schrauben 22 haben elektrischen Kontaktschluß entweder mit der
einen oder mit der anderen Feder eines Federpaares 16. Die andere Klemme jeder Fotozelle
kann in einfacher Weise durch ein zwischen den Fotozellenring 11 und die feste Gitterscheibe
14 geklemmtes Kontaktblech 23 gebildet werden, das mit einem auf die Fotoschicht
aufgedampften Kontaktring Berührung hat. Die am Reflektor 3 zurückgeworfenen Lichtstrahlen
der Glühbirne 2 treten im wesentlichen senkrecht durch die Schlitze der rotierenden
Scheibe 15 hindurch und treffen abwechselnd auf die Stege und Schlitze der festen
Scheibe 14. Bei gleicher Teilung jeweils eines Gitterpaares 18a und 18 b der beiden
Scheiben 14 und 15 fällt immer dann Licht auf die Fotozellen 11, wenn die Schlitze
beider Scheiben im Strahlengang liegen. Sie erzeugen so je Gitterpaar eine Wechselspannung,
deren Frequenz von der Teilung des Gitterpaares 18 a oder 18 b und von der Drehgeschwindigkeit
der Welle 5 abhängt.
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Durch die gleichzeitige und homogene Beleuchtung aller Schlitze eines
Radialgitters der rotierenden Scheibe 15 und durch das gleichzeitige Abtasten aller
Schlitze des anderen zu diesem Gitter gehörenden Radialgitters der festen Scheibe
14 werden die von Teilungsfehlern der Schlitze und Stege sowie von Exzentrizitätsfehlern
der Scheiben 14 und 15 hervorgerufenen Frequenzschwankungen einer Wechselspannung
ausgemittelt. Solange die Exzentrizitäten der Scheiben 14 und 15 kleiner als die
Teilungen ihrer Gitter 18 bleiben, liegen die Meßfehler unterhalb von 10-4. Bei
sorgfältiger Bearbeitung der Gitterl8 und bei guter Ausrichtung und Zentrierung
der Scheiben 14 und 15 erreicht man jedoch eine Meßgenauigkeit von 10-5.
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Die in den Fotozellen 11 erzeugten Wechselspannungen werden an nicht
gezeichneten Kontakten, die mit den Schrauben 22 elektrisch leitend verbunden sind,
und an den Kontakten23 abgenommen und z. B. einem Frequenzdiskriminator zugeführt,
dessen Meßwerk in Einheiten, die unmittelbar die Umdrehungen
pro
Minuten bzw. die Gleichlaufgenauigkeiten angeben, geeicht ist.
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Die Ausbildung der Radialgitter 18 mit unterschiedlicher Rasterung,
wobei jedem Gitterpaar eine eigene Fotozelle zugeordnet ist, ermöglicht es, mit
unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten (Drehzahlstufen) eine bestimmte Generatorfrequenz
zu erzeugen, die für die Verarbeitung in dem Frequenzdiskriminator geeignet ist.
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Selbstverständlich arbeitet der Meßgenerator auch mit nur einem oder
mit mehr als zwei Radialgittern.
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Die Beleuchtung mit Hilfe eines Parabolspiegels (Reflektor) 3 durch
nur eine Lichtquelle (Glühbirne) 2 hat den weiteren Vorteil, daß Änderungen der
Helligkeit, die wesentlich langsamer verlaufen als die durch die Teilungen der Gitter
18 a oder 18 b hervorgerufenen Frequenzen der Wechselspannungen, praktisch keinen
Einfluß auf die Meßgenauigk eit ausüben, weil die Lichtverteilung auf dem gesamten
Umfang gleichmäßig bleibt.
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Als Scheiben 14 und 15 eignen sich in vorteilhafter Weise Glasscheiben,
auf denen die Radialgitter sowie die Ziellinien photographisch abgebildet sind.
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Für die Messung trägheitsarmer Antriebe ist es wichtig, daß der angekoppelte
Meßgenerator das Gesamtträgheitsmoment des Antriebes nicht unzulässig erhöht. Die
rotierende Scheibe ist dann sehr dünn und leicht auszubilden.
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Der beschriebene Meßgenerator erlaubt in Verbindung mit einem entsprechend
ausgeführten Frequenzdiskriminator das Messen von Drehzahlen und des Gleichlaufs
von Antrieben. In Verbindung mit einem Zähler können mit dem Meßgenerator auch Winkelmessungen
durchgeführt werden.
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Der Generator kann auch so ausgebildet werden, daß die Beleuchtungseinrichtung
ein erstes Gitter mit lichtdurchlässigen Schlitzen beleuchtet und das dahinterliegende
zweite Gitter zwischen seinen lichtundurchlässigen Stegen reflektierend ausgebildet
ist, so daß es also das Licht durch die Schlitze des ersten Gitters hindurch (oder
durch besondere, diesem zugeordnete Schlitze) zurückreflektiert in eine Richtung,
in der der lichtelektrische Wandler angeordnet ist, der dann auf derselben Seite
des durchlässigen Gitters wie auch die Beleuchtungseinrichtung liegen kann.