DE2916760C2 - Vorrichtung zur Meßung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes - Google Patents
Vorrichtung zur Meßung der Bewegungsgröße eines rotierenden GegenstandesInfo
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Description
des Rotationskörpers R angeordnet sind Es wird aber
bemerkt, daß die Beziehung in den Abstufungen bzw. Ausschnitten zwischen dem Rotationskörper R und dem
feststehenden Element S\ um 180° in der Phase verschoben sind, und zwar von der Beziehung der Abstufungen
zwischen dem Rotationskörper R und dem feststehenden Element S2. Mit anderen Worten, wenn angenommen
ist, daß die Kantenteile des feststehenden Elementes Si, die nicht ausgeschnitten oder ausgenommen sind
":', (im folgenden als »Vorsprünge der Kante«) bezeichnet,
Γ mit den Vorsprüngen des Umfanges des Rotationskörpers
R zusammenfallen, dann fallen die Vorsprünge der Kante des feststehenden Elements S2 mit den Ausneh-
1.' mungen des Umfangs des Rotationskörpers R zusammen.
Wenn also angenommen wird, daß der Rotations-
" körper R und das feststehende Element Si einen Kondensator
bilden und daß der Rotationskörper R und das
' feststehende Element S2 einen anderen Kondensator
bilden, dann weist die Kapazität des durch den Rotationskörper R und das feststehende Element Si gebildeten
Kondensators ein Maximum auf, während die Kapazität des durch den Rotationskörper und das feststehende
Element S2 gebildeten Kondensators ein Minimum ist.
F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung, die in Verbindung mit der Fühlereinheit nach F i g. 1
verwendet wird. In der Schaltung werden Kristallresonatoren X\ und X2 in Verbindung mit Oszillatoren OSCi
und OSC2 verwendet Ursprünglich ist die Schwingungsfrequenz eines Kristallresonators festgelegt. In diesem
Falle sind aber die Kristallresonatoren parallel zu den Kondensatoren geschaltet, die durch den Rotationskörper
R und die feststehenden Elemente Si und S2 gebildet
sind. Infolgedessen wird die Schwingungsfrequenz jedes Kristallresonators entsprechend der Änderung der Kapazität
des jeweiligen Kondensators verändert. Die Kapazitätsänderung der Kondensatoren sind eine sogenannte
»Differentialänderung«, bei welcher die Kapazität eines Kondensators erhöht wird, während die Kapazität
des anderen Kondensators verringert wird. Infolgedessen wird, wenn die Schwingungsfrequenz eines
der Oszillatoren OSCi und OSC2 erhöht wird, diejenige
des anderen Oszillators verringert. Wenn diese beiden Frequenzsignale miteinander in einer Mischstufe MIX
gemischt werden, dann kann die Differenzfrequenz f zwischen ihnen erhalten werden. Das Diffcrenzsignal
wird zu einer Signal verarbeitenden Schaltung über Draht oder auf drahtlosem Wege übertragen.
Die Teile (a) und (b) der F i g. 3 sind graphische Darstellungen, welche die Ausgangssignale der Oszillatoren
OSCi und OSC2 und das Ausgangssignal der Mischstufe MIX darstellen, die erzeugt werden, wenn der Rotationskörper
R in bezug auf die feststehenden Elemente Si und S2 rotiert. Zur Vereinfachung wird in der Beschreibung
ein relativer mittlerer Abstand d zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen
Si und S2 verwendet. Wenn der Rotationskörper R
ungefähr um eine Abstufung in bezug auf die feststehenden Elemente Si und S2 gedreht worden ist, ändern sich
die Ausgangsfrequenzen /Ί und S2 der Oszillatoren OSCi
und OSC2 in nicht linearer Weise, wie es in Teil (a) der F i g. 3 gezeigt ist.
Es wird bemerkt, daß die Änderungen der Ausgangsfrequenzen /1 und /2 symmetrisch sind. Wenn eine Charakteristik-Kurve
(f\ — f2) von den Änderungen der Ausgangsfiequenzen
erhalten ist, dann enthält diese einen wesentlich linearen Teil, wie es in Teil (b) der Fig. 2
gezeigt ist.
Die Teile (a) bis (c) der F i g. 4 zeigen die Tatsache, daß, wenn der nicht lineare Teil einer im wesentlichen
linearen Charakteristik-Kurve (Teil (a) der F i g. 4), der durch die Differentialoperation zwischen einer beweglichen
Elektrode und feststehenden Elektrode erhalten ist, einer im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve
(Teil (b) der F i g. 4), die durch Rotation des Rotationskörpers in bezug auf die feststehenden Elemente
erhalten ist, überlagert wird, die in einem Bereich von
+90° bis —90° linear ist und die als ganzes eine dreieckförmige Charakteristik-Kurve ist.
Die Gestalt der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve
kann wahlweise in gewissem Maße geändert werden, und zwar durch geeignete Wahl der
Größe des Rotationskörpers R und der feststehenden Elemente Si und S2 und des Abstandes zwischen den
Elektroden. Es kann also die in dem Teil (c) der F i g. 4 gezeigte dreieckförmige Charakteristik-Kurve durch
Überlagerung der im wesentlichen sinusförmigen Charakteristik-Kurve auf die beiden Endteile der im wesentlichen
linearen ChaiBkteristik-Kurve, die stark von der geraden Linie abweichen, erhalten werden. Die dreieckförmige
Charakteristik-Kurve hat an jedem vorbestimmten Rotationswinkel einen Biegepunkt, und sie
kann deshalb für die Feststellung eines Rotationswinkels verwendet werden, in welchem der lineare Teil der
Welle verwendet ist, und für die Feststellung einer Rotation, in welcher die ansteigenden und abfallenden Teile
der Welle verwendet werden.
In dem oben beschriebenen Beispiel ist ein einziger
sich bewegender Gegenstand zwischen einem Paar feststehender Elemente so angeordnet, daß sie in ein und
derselben Ebene liegen. Die Erfindung ist aber nicht hierauf oder hierdurch beschränkt. So ist es beispielsweise
möglich, daß die feststehenden Elemente in mehreren parallelen Ebenen angeordnet sind, wobei ein gemeinsamer,
sich bewegender Gegenstand für diese feststehenden Elemente vorgesehen ist.
Fi g. 5 zeigt die kontinuierliche Änderung des Differenzfrequenzsignals
/"in Abhängigkeit von der Rotation des Rotationskörpers R. Wenn der Rotationskörper rotiert,
wird die Differenzfrequenz bei einer Abstufungsteilung erhöht, jedoch bei der nächsten Abstufungsteilung
verringert. Es ist notwendig, die Frequenz linear zu erhöhen und zu erniedrigen. Dies kann durch geeignete
Wahl der Gestalt der zahnartigen Einschnitte erreicht werden, d. h. der Ausnehmungen und Vorsprünge des
Rotationskörpers R und der feststehenden Elemente Si und S2.
Da die Frequenz wiederholt, linear erhöht und erniedrigt wird, kann eine Abstufungsteilung in gleiche Teile
unterteilt werden. Infolgedessen kann die Zählung mit viel größerer Genauigkeit als diejenige der Abstufungsteilung durchgeführt werden. Es wird z. B. angenom-
men, daß die Abstufungsteilung eine Einheit eines Grades beträgt. Wenn in diesem Falle die Abstufungsteilung
in 100 Teile unterteilt wird, dann kann die Abzählung
durch die Einheit von 0,6 Sekunden erfolgen. Wenn die Abstufungsteilung in mehr Teile unterteilt werden kann,
dann können die Abstufungsintervalle länger gemacht werden.
Die F i g. 6 bis 8 zeigen ein anderes Beispiel des erfindungsgemäßen
Fühlers. F i g. 6 ist eine Seitenansicht, welche die Beziehung zwischen einem Rotationskörper
R und feststehenden Elementen Sl, Sl', S 2, S2' zeigt.
Fig. 7 ist eine Schnittansicht nach der Linie VII-VII in
F i g. 6. F i g. 8 ist eine Schnittansicht nach der Linie VIII-VIII in Fig. 6.
Der Rotationskörper R wird in Richtung des Pfeiles A
gedreht. Der Rotationskörper R besitzt eine zahnartige Abstufung Ra, die in gleichmäßigen Abständen in den
Zylindermantel eingeschnitten sind. Die feststehenden Elemente Sl und Sl' haben ebenfalls zahnartige Abstufungen
SIa und SIa' die in bezug auf die Abstufung
Ra miteinander in Phase sind. Die feststehenden Elemente S 2 und S 2' besitzen ebenfalls zahnartige Abstufungen
S 2a und S 2'a, die in bezug auf die Abstufung Ra miteinander in Phase sind. Es wird aber darauf hingewiesen,
daß die Abstufungen S la und S2a der feststehenden Elemente S1 und S 2 in bezug auf die Abstufung
Ra gegeneinander um 180° phasenverschoben sind. In gleicher Weise sind die Abstufungen S Va und S2'a der
feststehenden Elemente Sl' und S2' in bezug auf die
Abstufung Ra gegeneinander in der Phase verschoben.
Wenn also der Rotationskörper R und die feststehenden Elemente S1, S1', S 2 und S 2' so angeordnet sind,
daß sie Kondensatoren bilden, dann ist, wenn die Kapazität zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden
Elementen Sl und Sl' ein Maximum ist, die
Kapazität zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen S 2 und S 2' ein Minimum. Die
feststehenden Elemente Sl und Sl' sind miteinander verbunden, und es sind die feststehenden Elemente S 2
und S2'miteinander verbunden. Somit kann selbst dann, wenn die Abstände zwischen dem Rotationskörper R
und den feststehenden Elementen S1 und S 2 von denjenigen
zwischen dem Rotationskörper R und den feststehenden Elementen S Γ und S 2' verschieden sind, die
Differenz der Kapazität ausgeglichen werden. Dies kann für den Fall angewendet werden, wenn der Rotationskörper
R in geneigtem Zustand rotiert.
Fi g. 9 zeigt eine Meßschaltung einschließlich der angeschalteten
Fühlereinheit, wie oben beschrieben. Es werden Kristallresonatoren X\ und X2 in Kombination
mit Oszillatoren OSCi bzw. OSC2 verwendet. Die
Schwingungsfrequenz jedes der Kristallresonatoren X\ und X2 ist festgelegt. Da aber die Kristallresonatoren in
Reihe mit den durch den Rotationskörper R und die feststehenden Elemente S1, S1' und S 2 und S 2' gebildeten
Kondensatoren geschaltet sind, werden die Schwingungsfrequenzen der Kristallresonatoren geändert,
wenn sich die Kapazitäten der Kondensatoren mit der Drehung des Rotationskörpers ändern. Die Kapazitätsänderungen
der Kondensatoren sind sogenannte »Differentialänderungen«, bei denen sich die Kapazität
eines Kondensators erhöht, während sich die Kapazität des anderen Kondensators verringert. Wenn also die
Schwingungsfrequenz eines der Oszillatoren OSCi und OSC2 vergrößert wird, wird diejenige des anderen Kondensators
verringert. Wenn diese Frequenzsignale in einer Mischstufe MlX miteinander gemischt werden,
kann die Differenzfrequenz /"zwischen ihnen erhalten werden. Die Änderungen der Differenzfrequenz f sind
in F i g. 5 gezeigt.
Mit diesem Beispiel werden Meßfehler, die auf die
Exzentrizität und Neigung des Rotationskörpers zurückzuführen sind, kaum bewirkt. Somit kann die Rotationsgröße
mit hoher Genauigkeit gemessen werden.
F i g. 10 zeigt ein anderes Verfahren zur Verarbeitung
der Ausgangssignale der Oszillatoren OSCi und OSC2. Die beiden Ausgangssignale der beiden Oszillatoren
werden über Empfänger RCV Mischstufen MIX\ und MlX2 zugeführt, wo sie mit örtlichen Schwingungsfrequenzen
LOi und LO2 für eine Frequenzumwandlung
gemischt werden. Die Ausgangssignale der Mischstufen werden in einem Mischer MIX3 miteinander gemischt,
um ein Meßsignal /"zu erhalten.
Wenn die Differenz zwischen den Ausgangsfrequenzen der Oszillatoren OSCi und OSC2 mehrere kH 7 beträgt,
ist das Signalintervall 0,2 bis 0,3 msec, welches der Bewegung eines sich kontinuierlich bewegenden Gegenstandes
nicht folgen kann. Wenn dagegen eine Frequenz von 10 bis 20MHz, als Ausgangsfrequenz der
Oszillatoren OSCi und OSC2 erhalten wird und diese
Frequenz unverändert verwendet wird, so ist eine solche Frequenz für einen Frequenz-Spannungs-Wandler
nicht geeignet. Dieses Problem kann durch die Anordnung nach F i g. 10 gelöst werden. Da das Signalintervall
in der Größenordnung von Mikrosekunden ist, liegt eine
Signaländerung im Bereich von mehreren kHz und damit in einem Fehlerbereich. Diese Schwierigkeit wird
ausgeschaltet.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes mit einer Fühleranordnung
mit einem zylindrischen, rotierenden Gegenstand mit zahr.artigen Abstufungen auf seiner
zylindrischen Außenwand und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen, die dem rotierenden
Gegenstand gegenüberstehen und auf ihren gegenüberliegenden Flächen zahnartige Abstufungen
besitzen, um ein Paar Kondensatoren zu bilden, wobei der rotierende Gegenstand als gemeinsame
Elektrode verwendet ist und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die
Abstufungen des rotierenden Gegenstandes um 180° in der Phase gegeneinander verschoben sind,
durch die Kombination folgender Merkmale g e kennzeichnet:
a) Zusätzliche zweite feststehende Elemente (S Γ,
52') mit zahnartigen Abstufungen (S la', S2a')
sind in Längsrichtung des Rotationskörpers (R) axial versetzt und parallel zu den ersten feststehenden
Elementen (Si, S 2) angeordnet,
b) die ersten feststehenden Elemente (Si, S 2) sind
elektrisch komplementär mit den zweiten feststehenden Elementen (Si', S2') verbunden, um
in bezug auf die gemeinsame Elektrode (R) je zwei Elektrodenpaare (Si,S Γ und 52, S2') zu
bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich bewegende Gegenstand stationär
gehalten wird, während die feststehenden Elemente gegenüber dem sich bewegenden Gegenstand
bewegt werden.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes
mit einer Fühleranordnung mit einem zylindrischen, rotierenden Gegenstand mit zahnartigen Abstufungen auf
seiner zylindrischen Außenwand und mit wenigstens zwei ersten feststehenden Elementen, die dem rotierenden
Gegenstand gegenüberstehen und auf ihren gegenüberliegenden Flächen zahnartige Abstufungen besitzen,
um ein Paar Kondensatoren zu bilden, wobei der rotierende Gegenstand als gemeinsame Elektrode verwendet
ist und wobei die Abstufungen der ersten feststehenden Elemente in bezug auf die Abstufungen des
rotierenden Gegenstandes um 180° in der Phase gegeneinander
verschoben sind.
Die Rotationsgröße eines rotierenden Gegenstandes kann im allgemeinen z. B. durch ein Verfahren gemessen
werden, in welchem der rotierende Gegenstand in gleichen Abständen abgestuft ist, und es wird die Rotationsgröße des rotierenden Gegenstandes durch Messen der
Abstufungen erhalten. Nach einem anderen Verfahren haben die sich gegenüberliegenden Flächen eines rotierenden
Gegenstandes und eines feststehenden Elementes zahnartige Einschnitte als Abstufungen, so daß,
wenn sich die Vorsprünge der zahnartigen Einschnitte nahe aufeinander zu bzw. voneinander weg bewegen,
wenn der Gegenstand rotiert, sich die Kapazität eines dadurch gebildeten Kondensators verändert, wobei die
Kapazitätsänderung festgestellt wird, um die Bewegungsgröße zu messen.
Wenn die Rotationsgröße mit hoher Präzision gemessen werden soll, wird angenommen, daß die Zählung
durch Sekunden bewirkt wird, das heißt durch die Einheit von V3600 eines Grades. Dann muß der Umfang des
rotierenden Gegenstandes in 360 - 60 · 60 = 1 296 000 unterteilt werden. Eine solche Unterteilung ist aber
praktisch unmöglich. Infolgedessen ist eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße mit hoher Genauigkeit
bisher nicht vorgeschlagen worden.
Es sind Vorrichtungen der eingangs genannten Art bekannt (Christoph Rohrbach »Handbuch für elektrisches
Messen mechanischer Größen« (1967), Seite 155 und DE-AS 10 91 346), bei denen nur zwei feststehende
Elemente vorgesehen sind, die dem rotierenden Gegenstand bzw. dem Rotationskörper gegenüberstehen.
Wenn hierbei die Rotationsachse des Rotationskörpers aus der korrekten Position verschoben ist, werden die
Abstände zwischen dem Rotationskörper und den stationären Elementen unterschiedlich. In diesem Falle ist
es nicht möglich, ein symmetrisch zum Null-Pegel liegendes Aasgangssignal zu erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes der eingangs genannten Art zu schaffen, rtie auch bei nicht exakt gelagerter Rotationswelle einwandfrei und genau arbeitet. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines rotierenden Gegenstandes der eingangs genannten Art zu schaffen, rtie auch bei nicht exakt gelagerter Rotationswelle einwandfrei und genau arbeitet. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs.
Das Prinzip, die Art und die Anwendung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Fühlereinheit in einer Vorrichtung
zur Messung der Rotationsgröße eines rotierenden Gegenstandes gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer in Verbindung mit der Fühlereinheit nach F i g. 1 verwendeten Schaltung,
F i g. 3a, 3b + 4a, 4b + 4c graphische Darstellungen der Arbeitsprinzipien der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
F i g. 5 eine graphische Darstellung der Ausgangscharakteristik der Schaltung nach F i g. 2,
F i g. 6—8 schematische Darstellungen eines anderen Ausführungsbeispiels der Fühlereinheit für einen rotierenden
Gegenstand,
Fig.9 ein Blockschaltbild einer in Kombination der
Fühlereinheit nach den F i g. 6 bis 8 verwendeten Schaltung und
Fig. 10 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäß verwendeten
Schaltung.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer Fühlereinheit in einer
Vorrichtung zur Messung der Bewegungsgröße eines sich bewegenden Gegenstandes gemäß der Erfindung.
In F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen R einen zu messenden
Gegenstand oder einen Rotationskörper, der synchron mit dem vorgenannten zu messenden Gegenstand
rotiert. Der Umfangsteil des Rotationskörpers ist mit zahnartigen Abstufungen in gleichen Abständen
versehen. Die feststehenden Elemente S\ und 52 umgeben
den Rotationskörper. Die Kanten dieser feststehenden Elemente 5, und 52, die dem Umfang des Rotationskörpers
zugekehrt sind, sind mit zahnartigen Abstufungen versehen, die in gleichen Abständen wie diejenigen
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