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Geberanordnung für ein inkrementales. digitales Weg-,
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Lage- oder Winkelmeßsystem Es handelt sich um eine Geberanordnung
für ein inkrementales, digitales Weg-, Lage- oder Winkelmeßsystem, mit zwei magnetfeldempfindlichen
Meßfühlern, einem Signalgeber mit abwechselnd aufeinanderfolgend angeordneten Zähnen
und Lücken, sowie einem an die Meßfühler angeschlossenen elektronischen Auswerter,
der einen Stromversorgungsteil, eine Zählschaltung und eine digitale Anzeigeeinrichtung
enthält.
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Die vorgeschlagene Geberanordnung findet insbesondere Anwendung für
die Winkelanzeige bei Zeichenköpfen von Zeichenmaschinen.
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Geberanordnungen für inkrementale, digitale Weg-, Lage-oder Winkelmeßsysteme
sind in verschiedenen Ausführungsformen seit einigen Jahren bekannt. So wird in
der deutschen Offenlegungsschrift 25 41 890 eine Geberanordnung beschrieben, bei
welcher zwei magnetfeldempfindliche, induktive Sonden eine Zahnscheibe mit einer
Anzahl gleichmäßig aufeinander folgender magnetisch wirksamer Zähne und Lücken
abtasten.
Die beiden Sonden sind in Fortbewegungsrichtung hintereinander sowie um 180 Grad
elektrisch versetzt angeordnet und an eine Brückenschaltung angeschlossen, um aufgrund
von Veränderungen des Luftspaltes hervorgerufene Verfälschungen des Meßergebnisses
zu vermeiden. Jedoch ist bei vorgegebener Zahngröße bzw. Zähnezahl das Auflösungsvermögen
dieser Anordnung begrenzt, außerdem ist der Stromverbrauch der beiden induktiven
Sonden nicht unbeträchtlich.
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Zur Erhöhung des Auflösungsvermögens ist bei einem Zeichenkopf für
Zeichenmaschinen mit digitaler Winkelanzeige schon vorgeschlagen worden, zwei Meßfühler
mit verschiedenem Auflösungsvermögen zur Erfassung des Winkels des Zeichenkopfes
zu verwenden. Hierbei steht der Meßfühler mit dem hohen Auflösungsvermögen einer
auf einer Schneckenwelle sitzenden, gezahnten Impulsscheibe gegenüber, während der
Meßfühler mit dem geringen Auflösungsvermögen mit dem von der Schnecke angetriebenen
Zahnrad zusammenarbeitet; die angestrebte Erhöhung des Auflösungsvermögens wird
somit auf mechanische Weise erzielt. Die Winkelanzeige ist ausschließlich zur Verwendung
bei einem mittels eines Elektromotors verstellbaren Zeichenkopf geeignet, sie bedarf
wegen ihres dadurch bedingten, hohen Stromverbrauches eines Netzanschlusses. Auf
einen von Hand verdrehbaren Zeichenkopf läßt sie sich wegen des Schneckengetriebes
nicht übertragen. (Deutsche Offenlegungsschriften 25 46 649 und 25 46 690.) Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Geberanordnung zu konzipieren, bei welcher
mit einfachen Mitteln ein hohes Auflösungsvermögen erzielt wird und die gleichzeitig
nur einen geringen Stromverbrauch besitzt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Geberanordnung der eingangs beschriebenen
Art dadurch gelöst, daß zwei gleich ausgebildete,
in Fortbewegungsrichtung
hintereinander liegende Meßfühler vorgesehen sind, welche einen mit zwei Polschuhen
versehenen Permanentmagneten aufweisen, wobei in einen der Pol schuhe ein seinen
elektrischen Widerstand magnetfeldabhängig ändernden Halbleiter eingebaut ist, und
daß die Pol schuhe des einen Meßfühlers den Mitten der sägezahnförmig ausgebildeten
Zähne des aus einem ferromagnetischen Material bestehenden Signalgebers gegenüber
stehen, sobald die Polschuhe des anderen Meßfühlers gerade den Mitten der Zahnflanken
gegenüber stehen. Diese Anordnung bedeutet, daß die beiden Meßfühler um 90 Grad
gegenüber versetzt stehen und dies ist die konstruktive Voraussetzung dafür, daß
pro Zahn des Signalgebers der Zählschaltung des elektronischen Auswerters insgesamt
vier verwertbare Zählimpulse zugeführt werden können. Gegenüber bekannten Geberanordnungen
ist dadurch bei gleicher Zähnezahl des Signalgebers das Auflösevermögen vervierfacht,
ohne daß es hierzu eines besonderen Aufwandes bedarf. Die Verwendung von ihren elektrischen
Widerstand magnetfeldabhängig ändernder Halbleiter ist die Voraussetzung für einen
extrem niedrigen Stromverbrauch der Geberanordnung, sodaß sie sich mit Knopfzellen
als Stromquellen und damit netzunabhängig betreiben läßt.
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Sofern als Signalgeber eine Kreisscheibe benutzt wird, welche an ihrem
Umfang neunhundert Zähne aufweist, kann bei Verwendung der vorgeschlagenen Geberanordnung
für ein Winkelmeßsystem ein Auflösungsvermögen von 1/10 Winkelgrad bei sehr kleinen
Abmessungen erreicht werden.
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Zweckmäßig sind die beiden Meßfühler auf einer Montageplatte justierbar
befestigt. Diese Maßnahme erleichtert die Montage der Meßfühler sowie deren genaue
Justierung relativ zu den Mitten der Zähne bzw. der Lücken.
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Vorteilhaft wird den Halbleitern der Meßfühler ein Betriebsstrom in
Form einer Folge von äquidistanten Rechteckimpulsen gleicher Stromstärke zugeführt,
wobei die Folgefrequenz der Rechteckimpulse wenigstens fünfzig Kilohertz beträgt.
Wird außerdem ein Tastverhältnis von Impuls zu Pause von 1 :20 gewählt, so kann
dadurch der Strombedarf der gesamten Geberanordnung auf etwa ein Zehntel gesenkt
werden, sodaß zur Stromversorgung Knopfzellen verwendet werden können.
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Für jeden Meßfühler sind vorteilhaft dem elektronischen Auswerter
ein Schwellwertschalter und eine diesem nachfolgende monostabile Kippschaltung mit
Rückstellverzögerung vorgeschaltet.Mit Hilfe dieser und weiteren einfachen Schaltelemente
können die beiden um 90 Grad elektrisch gegeneinander versetzten Meßfühler dem elektronischen
Auswerter pro Zahn jeweils vier verwertbare Zählimpulse zuführen, woraus das hohe
Auflösungsvermögen resultiert.
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Die vorgeschlagene Geberanordnung wird nachfolgend anhand der beigefügten
Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 zwei Meßfühler einer Geberanordnung, die einem
Zähne und Liicken aufweisenden, geraden Signalgeber gegenüber stehen, in einer Draufsicht;
Figur 2 zwei Meßfühler, die auf einer Montageplatte justierbar angeordnet sind und
die einem Signalgeber in Gestalt einer gezahnten, sich drehenden Kreis scheibe gegenüber
stehen;
Figur 3 ein Blockschaltbild des an die Meßfühler angeschlossenen
Auswerters; Figur 4 verschiedene Stromverläufe innerhalb des Auswerters.
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Eine vorschlaggemäße Geberanordnung für ein inkrementales, digitales
Weg-, Lage- oder Winkelmeßsystem besteht (Figur 1) aus zwei magnetfeldempfindlichen
Meßfühlern 1 und 2, welche einem bewegten Signalgeber 3 gegenüberstehen. An die
beiden Meßfühler 1 und 2 ist ein elektronischer Auswerter 4 (Figur 3) angeschlossen.
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Die zwei feststehenden Meßfühler 1 und 2 liegen in Forbewegungsrichtung
- durch den Pfeil 5 angedeutet - des Signalgebers 3 hintereinander. Jeder Meßfühler
1, 2 besteht aus einem Permamentmagneten 6, welcher zwei parallele Polschuhe 7 und
8 aufweist. Die freien Enden der Pol schuhe 7, 8 gehen in eine Schneide 9 über.
In den einen der beiden Polschuhe 7 jedes Meßfühlers 1, 2 ist ein seinen elektrischen
Widerstand magnetfeldabhängig ändernder Halbleiter 10, eine sogenannte "Eisen-Feldplatte"
eingebaut, deren beide Anschlußdrähte 11 zum Auswerter 4 führen.
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Der Signalgeber 3 besteht (Figur 1) aus einem ferromagnetischen Material
und weist abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnete Zähne 12 und Lücken 13 auf.
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Der Abstand der beiden Meßfühler 1 und 2 ist so gewählt, dan, wenn
z.B. die Pol schuhe 7, 8 des einen Meßfühlers 1 mit ihren Schneiden 9 gerade den
Mitten 14 zweier benachbarter Zähne 12 des Signalgebers 3 gegenüber stehen, die
Polschuhe 7, 8 des zweiten Meßfühlers 2 mit ihren Schneiden 9 den Mitten 15 zweier
gleichgerichteter Zahnflanken 16
gegenüberliegen. Demzufolge sind
die beiden Meßfühler 1 und 2 elektrisch um 90 Grad gegeneinander versetzt.
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In Figur 2 sind die beiden um 90 Grad elektrisch versetzten Meßfühler
1 und 2 auf einer Montageplatte 17, die eine konkav gekrümmte Vorderseite 18 aufweist,
befestigt. Hierbei sitzt jeder Meßfühler 1, 2 auf einem Bodenteil 19, welches mit
Hilfe einer Justier- und Befestigungsschraube 20 an der Montageplatte 17 angeschraubt
ist. Den beiden Meßfühlern 1, 2 steht eine sich drehende Kreisscheibe als Signalgeber
3 gegenüber, welche an ihrem Umfang Zähne 12 und Lükken 13 aufweist.
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Der mittels der Anschlußdrähte 11 an die beiden Meßfühler 1 und 2
angeschlossene elektronische Auswerter 4 besteht (siehe Figur 3) aus einer Zählschaltung
21, zwei Stromversorgungsteilen 22 und einer digitalen Anzeigeeinrichtung 23. Vorgeschaltet
sind für jeden Meßfühler 1, 2 jeweils ein Schwellwertschalter 24 und eine diesem
nachfolgende, monostabile Kippschaltung 25.
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Bei der Zählschaltung 21 handelt es sich um einen allgemein bekannten
Vorwärts- Rückwärts-Zähler, dessen Beschreibung sich hier erübrigt.
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Als digitale Anzeigeeinrichtung 93 findet eine L C D ( Liquid - Crystal
- Display ) Ziffern - Anzeige verwendung , die sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch
auszeichnet. Da solche Anzeigeeinrichtungen bekannt sind, braucht auf sie ebenfalls
nicht eingegangen zu werden.
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In den beiden Stromversorgungsteilen 22 wird der Betriebsstrom für
die beiden Meßfühler 1, 2 erzeugt. Der Betriebsstrom
durchfließt
die Meßfühler 1 und 2. Sobald der den Halbleiter 10 durchsetzende magnetische Fluß
zunimmt, ändert sich der Widerstand der Halbleiter 10, wodurch der eingeprägte Strom
eine Spannungsänderung an diesem hervorruft.
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Jeder Meßfühler 1, 2 bildet zusammen mit dem ferromagnetischen Signalgeber
3 einen geschlossenen magnetischen Kreis.
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Der vom Permamenteagneten 6 erzeugte magnetische Fluß gelangt (vgl.
Figur 1) in den ersten Polschuh 7, durchsetzt den Halbleiter 10 und die Schneide
9, fließt durch die beiden den Polschuhen 7, 8 gegenüberstehenden Zähne 12 des Signalgebers
3 und gelangt über den zweiten Pol schuh 8 zurück. Bewegt sich der Signalgeber 3
- in Richtung des Pfeiles 5 oder in Gegenrichtung - dann gelangen die beiden z.B.
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zunächst in den Mitten 14 von zwei Zähnen 13 stehenden Schneiden 9
der Polschuhe 7, 8 zunehmend in eine Stellung, in welcher sie genau in den Lücken
13 des Signalgebers 3 stehen; in dieser Stellung ist der magnetische Fluß am kleinsten,
weil die Luftspalte zwischen den Schneiden 9 und dem Signalgeber 3 am gröBten sind;
und sodann stellen sich die Schneiden 9 wiederum zwei Zähnen 12 gegenüber. Aufgrund
der sägezahnförmigen Gestalt der Zähne 12 geschieht diese Änderung des magnetischen
Flusses annähernd entsprechend einer positiven Sinushalbwelle, sodaß sich demzufolge
auch die Amplitude der an den Halbleitern 10 entstehenden, rechteckförmigen Spannungen
sinushalbwellenförmig ändert.
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Bewegt sich der Signalgeber 3 weiter, wird eine weitere solche Sinushalbwelle
erzeugt, und eine solche Sinushalbwelle stellt eine Periode (3600) des Betriebsstromes
dar.
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Die Verhältnisse werden nachfolgend anhand der in Figur 4 dargestellten
Stromverläufe erläutert. Dabei besteht der Betriebsstrom aus einer Folge von äquidistanten
Rechteckimpulsen gleicher Stromstärkq.
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Bei bewegtem Signalgeber 3 ändert sich die Signal - Spannung des ersten
Meßfühlers 1 entsprechend der Kurve A. Der Schwellwertschalter 24 bewirkt, daß zur
monostabilen Kippschaltung 25 (einem sogenannten retriggerbaren Monoflop") nur (schmale)
Rechteckimpulse einer bestimmten Ampitude durchgeschaltet werden , siehe Kurve B.
Beim Eintreffen des ersten dieser Rechteckimpulse 27 schaltet die mit Rückstellverzögerung
arbeitende Kippschaltung 25, und die nachfolgenden Rechteckimpulse halten die Kippschaltung
25 in ihren Zustand. Polgen sodann keine weiteren Rechteckimpulse nach, kippt die
Kippschaltung 25 nach Ablauf einer kurzen Rückstellzeit in ihre ursprüngliche Ruhestellung
zurück. In der von der monostabilen Kippschaltung 25 zur Zählschaltung 21 führenden
Leitung 28 fließen somit (breite) Rechteckimpulse entsprechend dem Kurvenverlauf
C, welche die Zählschaltung steuern.
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Die entsprechenden Stromverläufe in den an den zweiten Meßfühler 2
angeschlossenen Bauteilen des elektronischen Auswerters sind im unteren Teil der
Figur 4 wiedergegeben.
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Diese Stromverläufe sind wegen der versetzten Anordnung dieses Meßfühlers
2 gegenüber dem ersten Meßfühler 1 elektrisch um 900 phasenverschoben. Diese 90-Grad-Phasenverschiebung
bewirkt, daß innerhalb einer ganzen 360-Grad-Phase (entsprechend einer positiven
Sinushalbwelle) die Zählschaltung 21 zwei (breite) Rechteckimpulse mit vier als
Zählimpulse verwertbaren Planken pro Zahn 12 erhält, und daß die Zählschaltung 21
außerdem in bekannter Weise eine Richtungserkennung durchführen kann.
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Soll die vorgeschlagene Geberanordnung bei einem Winkeleßsystem -
beispielsweise bei einem Zeichenkopf einer Zeichensaschine - Verwendung finden und
ist dabei eine
Winkelauflösung von einem Zehntel Grad gefordert,
so werden für den Vollkreis 3 600 verwertbare Zählimpulse benötigt. Hierzu genügt
angesichts der Tatsache, daß die Zh.hlschaltung 21 pro Zahn 12 des Signalgebers
3 vier verwertbare Zählimpulse erhält, eine Kreisscheibe, welche an ihrem Umfang
900 Zähne 12 aufweist. Kann angenommen werden, daß der Zeichenkopf maximal etwa
10 Umdrehungen je Sekunde machen kann, so beträgt die höchste Impulsfrequenz (vor
der Vervierfachung) etwa 10 Kilohertz. Die Folgefrequenz der den Halbleitern 10
zugeführten Rechteckimpulse wird als das Fünffache der höchsten Zählfrequenz gewählt,
sie ist damit 50 Kilohertz. Das Tastverhältnis (Impuls -Pausen - Verhältnis) kann
mit 1 : 20 festgelegt werden, womit sich eine Pulsdauer für den einzelnen Rechteckimpuls
des Betriebsstromes von 1 Mikrosekunde ergibt.