DE2361385C3 - Mec hanoelektrischer Meßumformer - Google Patents
Mec hanoelektrischer MeßumformerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen mechanoelektrischen Meßumformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Differentialtransformatoren und Differentialdrosseln werden in der elektrischen Meßtechnik häufig zur ω
Bestimmung von jeweils einer einzigen Bewegungskomponente verwendet. Sie arbeiten im allgemeinen
berührungsfrei und enthalten im Gegensatz, zu Vorrichtungen
mit Stellpotentiomctcrn od. dgl. keine Verschleißteile. Die bekannten Differcntiultransformatorcn e>5
haben gewöhnlich zwei Sekundärwicklungen, die zu beiden Seiten einer zentralen Primärspule angeordnet
sind, und deren induktive Kopplung durch einen beweglichen Ferritkörper gegensinnig verändert werden
kann (US-PS 25 52 722). Die bei ungleicher induktiver Kopplung entstehende Differenzspannung
der Sekundärwicklungen kann durch phasenabhängige Gleichrichtung in ein Gleichspannungssignal verwandelt
werden, dessen Vorzeichen und Größe der Längsbewegung des Ferritkörpe:rs aus einer Mittellage
heraus entspricht Erfolgt die Verschiebung des Ferritkörpers auf einer vorgegebenen Kreisbahn, so
kann das Gleichspannungssignal zur Messung der Drehbewegung um den Kreismittelpunkt verwendet
werden. Bei den bekannten Differentialdrosseln wird eine gewisse Vereinfachung des Prinzips durch den
Fortfall der Primärerregungsspule erreicht Die verbleibenden Sekundärspulen sind in diesem Fall als
Drosselspulen aufzufassen, deren Wechselstromwiderstände von der Lage des Ferritkörpers abhängen. Das
lagenabhängige elektrische Signal wird in diesem Fall in analoger Weise aus der Differenz der Wechselstromwiderstände,
z. B. mit Hilfe einer geeigneten Brückenschaltung gewonnen. In manchen Fällen ist es
notwendig, zwei oder mehr Bewegungskomponenten eines Objekts gleichzeitig zu erfassen. Die bekannten
Differentialtransformatoren bzw. -drosseln sind als Einkomponenten-Meßwandler hierfür ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Wandler anzugeben, mit der zwei oder mehr Translations- bzw. Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines
Objekts gleichzeitig erfaßt werden können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mittels der gesonderten Rechenkreise, die erfindungsgemäß jeweils eine algebraische Summe der drei
oder mehr Spannungen an den räumlich verteilten Wicklungen der Polkörper bilden, lassen sich aus den
entsprechenden Summen- bzw. Differenzsignalen in einfacher Weise z. B. die drei Bewegungskomponenten
Längsbewegung (L), Querbewegung (Q) und Drehbewegung
(D) eines ferritischen Objekts in einer Ebene herleiten. Wenn man ein anisometrisches ferritisches
Objekt von unterschiedlicher Länge, Breite und Höhe zwischen zwei Differentialtransformatoren oder -drosseln
der hier beschriebenen Art anordnet, kann man aus den Ausgangsspannungen sechs Signale ableiten, die
den möglichen Rotations- und Translationskomponenten der Bewegungen in drei zueinander senkrechten
Raumrichtungen entsprechen. Die genannten Vorrichtungen eignen sich besonders zur Steuerung von
Servosystemen, mit denen ein Objekt bzw. eine Anzahl gleichartiger Objekte nacheinander in eine genau
vorgegebene Position und Richtung in der Ebene bzw. im Raum gebracht und dort konstant gehalten werden
sollen. Entsprechende Aufgaben entstehen bei der automatischen Bearbeitung bzw. dem Einbau kleiner
empfindlicher mechanischer, optischer oder elektronischer Werkstücke. Zu diesem Zweck werden die
Werkstücke zunächst mit einer Paßform zur Aufnahme eines geeigneten Ferritkörpers versehen und nach
Einsetzen des Ferritkörpers in die Nähe des mechanoelektrischen Wandlers gebracht. Bei kleinen Werkstükken
wird ein Ferritkörper von wenigen Milligramm Gewicht im allgemeinen ausreichen. Die Verschiebung
des Werkstucks aus der Sollagc erzeugt ein oder
mehrere vor Null verschiedene Ausgangssignale. Jedes dieser Signale kann über einen nachgeschalteten
Leistungsverstärker und einen Servoantrieb eine
Gegenbewegung bewirken, die das zugeordnete Ausgangssignal
vermindert. Das Servosystem kommt zum Stillstand, wenn das Werkstück die Sollposition genau
einnimmt, d.h. wenn alle Ausgangssignale durch die mechanische Gegenkopplung auf Null abgeglichen sind.
Allgemein können die Ausgangsgrößen des hier beschriebenen Mehrkomponentenwandlers geeigneten
Servosystem«! zugeführt werden, die entweder die Rückstellung eines Werkstücks in die Ausgangsstellung
oder die Oberführung eines Werkstücks in eine vorgegebene Sollstellung oder die bewegungskonforme
Mitführung des Mehrkomponentenwandlers mit dem bewegten Werkstück selbsttätig dadurch bewirken, daß
ihre Bewegungen den Regelabweichungen der Stellungskomponenten stets entgegengerichtet sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Es zeigt
F i g. 1 einen der Erfindung entsprechenden Dreikomponenien-Differentialtransformator
mit fünf Spulen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkompon^nte der
Bewegung eines ferritischen Objekts in einer Ebene,
Fig.2A ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die erforderlichen Rechenoperationen zur Ermittlung
der Längs-, Quer- und Drehkomponente im Analogverfahren mit Hilfe von Summen- und Differenzverstärkern
durchgeführt werden, und zwar für einen Differentialtransformator,
F i g. 2B ein F i g. 2A entsprechendes Ausführungsbeispiel, jedoch für eine Differentialdrossel,
Fig.3 eine bevorzugte Ausführungsform der in F i g. 2 verwendeten speziellen Eingangsverstärker mit
Demodulator,
Fig.4A ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
bei dem die Rechenoperationen zur Ermittlung der Längs-, Quer- und Drehkomponente der Bewegung
bereits durch geeignete Zusammenschaltung der Signale in getrennten Wicklungsgruppen des Dreikomponenten-Wandlers
gewonnen werden,
Fig.4B eine Abwandlung der Fig.4A für eine
Differentialdrossel und
F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen
eines Objekts im Raum durch gleichzeitige Erfassung der Translations- und Rotationskomponenten
in drei zueinander senkrechten Raumrichtungen.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Dreikomponenten-Differentialtransformator
erfaßt als mechanoelektrischer Wandler gleichzeitig die Vorwärts-, Seitwärts-
und Drehkamponente der Bewegung eines länglichen ferritischen Objekts 10 in einer Ebene. Das
Objekt ist schraffiert dargestellt. Es besteht z. B. aus einem dünnen Streifen eines Werkstoffs mit hoher
magnetischer Permeabilität. Der Differentialtransformator enthält auf einer rechteckigen Ferritplatte 11 fünf
Magnetpole, von denen sich einer in der Mitte und die anderen symmetrisch an den vier Ecken der Platte
befinden. Auf dem zentralen Magnetpol ist eine Primärwicklung Wp angeordnet, die von einem Generator
z. B. mit einer 50-kHz-Wechselspannung gespeist wird und ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt. (Bei
einer entsprechenden Dreikomponenten-Differentialdrossel entfällt die Bewicklung und Erregung des
zentralen Magnetpols.) Auf den an den Rändern befindlichen Magnetpolen sitzen jeweils die Sekundärwicklungen
W1, Wi, Wi bzw. W4, die untereinander
gleiche Anteile des Magnetflusses empfangen, solange das Magnetfeld nicht durch ein in der Nähe befindliches
ferritisches Objekt 10 unsymmetrisch verzerrt wird.
Zwischen den in den einzelnen Sekundärwicklungen induzierten Wechselspannungen (bzw. zwischen den
Impedanzen der einzelnen Drosselwicklungen einer entsprechenden Differentialdrossel) treten charakteristische
Differenzen auf, wenn das schraffiert gezeichnete Objekt 10 in der dargestellten Weise aus seiner
zentralen Gleichgewichtslage und -richtung versetzt bzw. gedreht wird. Unter der Voraussetzung, daß die
Abweichungen des Objekts von der Gleichgewichtslage
ίο und -richtung klein im Vergleich zum Polabstand des
Mehrkomponentenwandlers sind, erhält man durch die folgenden Rechenoperationen aus den induzierten
Spannungen (bzw. Impedanzen) Si bis S» der Spulen W]
bis IV4 eindeutige Beziehungen für die Längs-, Quer- und
Drehkomponente dieser Abweichungen:
Längskomponente KL — (+ S1 +S2-S3-S4)
Querkomponente KQ - (- S, + S2 + S3 - S4)
Querkomponente KQ - (- S, + S2 + S3 - S4)
Drehkomponente KD — (- S1 + S2 - S3 + S4)
F i g. 2A und 2B veranschaulichen ein elektrisches Analogverfahren zur Durchführung der erforderlichen
Rechenoperationen. Gemäß Fig.2A werden drei geeignete Operationsverstärker OPV mit je zwei
invertierenden ( —) und zwei nichtin vertierenden (+) Eingängen verwendet. Die vier Sekundär-Wicklungen
Wi bis W4 des in F i g. 1 gezeigten Wandlers sind mit den
vier Eingängen der Verstärker so verbunden, daß die Ausgangsspannung jeweils der gewünschten algebraischen
Summe der Eingangssignale Si bis S4 entspricht.
Der Frequenz-Generator GEN liefert eine konstante Wechselspannung von beispielsweise 50 kHz zur
Erregung des Differentialtransformators über die Primärwicklung Wp und steuert gleichzeitig die Demodulatoren
DEM, mit denen die Ausgangsspannungen der Eingangsverstärker phasenabhängig gleichgerichtet
werden.
Verwendet man an Stelle des Differentialtransformators eine Differentialdrossel, so entfällt die induktive
Erregung über die Primärwicklung Wp. Man erhält in diesem Fall die entsprechenden Eingangsspannungen Si
bis S4, indem man den Generatorstrom jeweils über einen konstanten Widerstand R durch die Drosselwicklungen
DW, bis DW4 schickt(F i g. 2B).
Die an diesen Wicklungen abfallenden Wechselspannungen entsprechen den Impedanzen der Spulen und
können mit dem in Fig. 2A bzw. 2B veranschaulichten Analogverfahren miteinander verrechnet werden. In
beiden Fällen kann man aus dem Vorzeichen und der Größe der demodulierten Gleichspannungssignale, d. h.
der Komponenten Kl, Kq und Ko die Richtung und
Stärke der Auslenkung des ferritischen Objekts entsprechend beliebigen Längs-, Quer- und Drehbewegungen
vollständig entnehmen.
Analogschaltungen zur Addition und/oder Subtraktion mehrerer elektrische Signale sowie Schaltungen
zur phasenabhängigen Demodulation von Wechselspannungen sind an sich in zahlreichen Ausführungen
bekannt. Eine wegen ihrer Einfachheit bevorzugte Ausführungsform ist F i g. 3 zu entnehmen. Die Verrechnung
der Eingangssignale erfolgt mit einem Differentialverstürker OPV \ in Form einer integrierten
Schaltung mit zwei invertierenden ( —) und zwei nichtinvertierenden ( + ) Eingängen 1—4. Die Verrechnung
von mehr als vier Signalen ist durch entsprechende Erweiterung der Zahl der Eingänge im Prinzip möglich.
Die Demodulation der resultierenden Wechselspannung
erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Schaltglicdcs wie eines Feldcffekltninsislors FET. der das Ausgiingssignal
/.Ii. während der negativen Halbwelle der F.rrcgungsspannung iinterdrücki. wozu mit seiner
Steuerelektrode über eine Diode der weitere Operations- bzw. Differenzverstärker OPV 2 gekoppelt ist, an
dessen einem Eingang die Erregungsspannung liegt.
Das Ausgangssignal wird auf diese Weise phasenabhängig gleichgerichtet und steht nach anschließender
Glättung durch einen geeigneten Tiefpaß als GJeichspannungssignal mil phasenabhängigem Vorzeichen für
Steuerungs-, Meß- und Regelzwecke zur Verfügung.
Das in F i g. 2A bzw. 2B dargestellte Analogverfahren zur Verrechnung der Signale Si bis 54 läßt sich unter
bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft vereinfachen, indem man die Signale unter Berücksichtigung der
Phasenlage additiv bzw. subtraktiv so hintereinanderschaltel, daß die gewünschte Rechenoperation unmittelbar
zustande kommt. Für jede gleichzeitig durchzuführende Rechenoperation wird in diesem Fall jedoch eine
gesonderte Gruppe von Wicklungen benötigt.
Fig.4A veranschaulicht die gleichzeitige Bestimmung der Komponenten Ki.,K()und Wodurch geeignete
Verschaltung der äquivalenten Wicklungsgruppen Wn bis Wh, W2| bis W24 und W3I bis Wm. In diesem Fall trägt
jeder der äußeren Magnetpole der Vorrichtung in F i g. 1 drei gleiche Wicklungen. Verwendet man eine
entsprechende Differentialdrossel mit drei Wicklungsgruppen DWn bis DWi4, DW2, bis DW2A und DW^ bis
DWj4, bei der die induktive Erregung über eine
Primärwicklung Wp entfällt, so lassen sich aus den vier
Wicklungen einer Gruppe die vier Zweige einer Wechselstromwiderstandsbrücke derart bilden, daß die
Nullspannung der Brücke bei hinreichend kleiner Abweichung des Objekts von der Ausgangslage
annähernd der gewünschten Rechenoperation entspricht (Fig.4B). Die Ausgangsspannungen der Wicklungsgruppen
des Differentialtransformators werden ebenso wie die Nullspannungen der Wechselstromwiderslandsbrücken
der Differentialdrossel in geeigneter Weise verstärkt und phasenabhängig demoduliert.
Die bisher behandelten Ausführungsbeispiele zur Bestimmung der drei Komponenten der Bewegung
eines Objekts in einer Ebene lassen sich unschwer modifizieren oder erweitern, wenn andere oder mehr
Bewegungskomponenten gleichzeitig gemessen werden sollen. F i g. 5 zeigt die wesentlichen Merkmale eines
Ausführungsbeispiels zur vollständigen Ermittlung beliebiger Bewegungen oder Stellungen eines Objekts im
Raum, das auf der gleichzeitigen Bestimmung der
r> Translations- und Rotationskomponenten in den drei
zueinander senkrechten Raumrichtungen X, Y und Z beruht. Die Vorrichtung besieht aus zwei einander
deckungsgleich gegenüberstehenden phasengleich erregten Differentiallransformatoren bzw. unerregten
ίο Differentialdrosseln der in Fig. 1 veranschaulichten
Ausführung. Das ferritischc Meßobjekt 20 im freien Raum zwischen den beiden Wicklungsgruppen Wn' bis
Wm' und W21' bis Wm' ist anisometrisch in bezug auf
seine Länge, Breite und Höhe. Unter der Voraussetzung daß die beliebig gerichteten Abweichungen von der
Ruhestellung des Objekts klein im Vergleich zu den Polabständen des Sechskomponentenwandlers sind,
ergeben sich unmittelbar aus Fi g. 5 folgende eindeutige Beziehungen zwischen den Translationskomponenten
7\, 7Y, T/ und den Rotationskomponenten R\, Ry. R/
der Abweichungen einerseits und den induzierten Spannungen bzw. Impedanzen Sn bis Sn und S21 bis Sn
der beiden Spulengruppen andererseits:
T%~ (-Sn +Si2-I-SiJ-S14-S2I + S22 + S23 — S24)
Ty ^, ( + S11+S12-S13-S14+ S21+S22-S23-S24)
Ty ^, ( + S11+S12-S13-S14+ S21+S22-S23-S24)
Ti - ( + S1, + S12 + S13 + S14 - S21 - S22 - S23 - S24)
Rx ~ (+ S11 -I- S12 — S13 — S14—S21 — S22 + S23 + S24)
üy-^t + Sjj— S12 — S13 + S1^-S2x + S22 + S23 — S24)
Rz *" (+ S11 — S12 + S13 — Sj4 + S21- S22 + S23 — S24)
üy-^t + Sjj— S12 — S13 + S1^-S2x + S22 + S23 — S24)
Rz *" (+ S11 — S12 + S13 — Sj4 + S21- S22 + S23 — S24)
Die verschiedenen oben beschriebenen Verfahren zur Durchführung der Rechenoperation lassen sich sinngemäß
auf die Beziehungen anwenden. Wegen der Beschränkung auf vergleichsweise kleine Abweichungen
des Objekts von der Ausgangsstellung ist der Sechskomponentenwandler besonders zur Steuerung
eines bewegungskompensierenden Servosystems geeignet,
das die Rückstellung des Objekts in die Ausgangsposition, bewirkt oder aber eine bewegungskonforme
Mitführung des Wandlers mit dem beliebig bewegter Objekt veranlaßt.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Mechanoelektrischer Meßumformer zur gleichzeitigen
berührungs- und rückwirkungsfreien Ermittlung
mehrerer Translations- und Rotationskomponenten der Bewegung oder Stellung eines mit dem
Wandler mittels eines Ferritkörpers gekoppelten Objektes, insbesondere für ein Servosystem zur
selbsttätigen Positionierung des Objektes, mit einer Rechenschaltung, welche den Komponenten der
Abweichung des Objektes von einer gegebenen Ausgangsstellung nach Vorzeichen und Größe
entsprechende Signale erzeugt gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) der Ferritkörper ist zwischen drei oder mehr räumlich um ihn verteilten Polkörpern angeordnet,
auf denen sich jeweils mindestens eine Sekundärwicklung (Wi bis W4, Wn usw.) eines
Differentialtransformators oder jeweils mindestens eine Drosselwicklung (DW1 bis DW4,
DWw usw.) einer Differentialdrossel befindet;
b) an den Ausgang der Wicklungen (Wi bis W4,
DWi bis DWa) sind für die zu ermittelnden
Komponenten mehrere gesonderte Rechenkreise angeschlossen, die unabhängig voneinander
arbeiten.
2. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenkreise
jeweils eine elektrische Analogschaltung mit einem Operationsverstärker (OPV) enthalten, der
drei oder mehr jeweils an eine der Wicklungen der Polkörper geschaltete Eingänge hat.
3. Mechanoelektrischer Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem
Polkörper eine der Anzahl der zu ermittelnden Komponenten entsprechende Anzahl von Wicklungen
(Wi ι bis W34; DWu bis D W34) angeordnet ist und
daß für jede zu ermittelnde Komponente eine Reihen- oder Brückenschaltung aus je einer
Wicklung (Wn bis W4 usw.) jedes Polkörpers
gebildet ist.
4. Mechanoelektrischer Meßumformer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zur gleichzeitigen Ermittlung aller Komponenten der Bewegung oder Stellung
eines anisometrischen Objektes (20) mit einem Ferritkörper im Raum räumlich getrennte, in
verschiedenen Ebenen liegende Anordnungen von jeweils mehreren Wicklungen (Wn' bis W4' und
W>i' bis W24') vorgesehen sind, zwischen denen das
Objekt angeordnet ist.
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2361385A DE2361385C3 (de) | 1973-12-10 | 1973-12-10 | Mec hanoelektrischer Meßumformer |
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DE2361385C3 true DE2361385C3 (de) | 1978-09-07 |
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ID=5900345
Family Applications (1)
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