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Meßwertumformer zur digitalen Umformung des Drehwinkels in Impulse
Meßwertumformer, die dazu dienen, die Anzahl der Umdrehungen irgendwelcher drehbaren
Meßwerkteile oder Bruchteile davon derart in Impulse umzuformen, daß jeder einzelne
Ausgangsimpuls einem ganz bestimmten Drehwinkel entspricht, können so aufgebaut
sein, daß eine mit dem drehbaren Meßwerkteil synchron umlaufende, am Rande mit Vorsprüngen
bzw. Ausnehmungen versehene metallische Scheibe oder ein entsprechendes Flügelrad
in das Magnetfeld der SchwingkTeisspule eines Hochfrequenzoszillators eingreift.
Je nachdem, ob sich in dem Magnetfeld der Schwingkreisspule gerade ein Vorsprung
oder gerade eine Ausnehmung der genannten Scheibe befindet, ist der Hochfrequenzaszil
lator stärker oder schwächer bedämpft, so daß bei einer Drehbewegung der metallischen
Scheibe bzw. des Flügelrades seine Schwingungsamplitude zwischen einem Höchstwert
und einem Kleinstwert schwankt, wobei an die Stelle der kleinsten Schwingungsamplitude
auch ein völliges Aussetzen der Schwingurigen treten kann. In einer dem Hochfrequenzoszillator
nachgeschalteten Schaltung wird dann im einfachsten Fall jedesmal ein Impuls erzeugt,
wenn die Schwingungsamplitude des Oszillators einen bestimmten Wert durchschreitet.
Je nachdem, wieviel Vorsprünge bzw. Ausnehmungen am Rande der Dämpfungsscheibe periodisch
verteilt sind, stellt somit die Anzahl der abgegebenen Impulse ein digitales Maß
für den Drehwinkel der Dämpfungsscheibe und damit des mit dieser gekuppelten Meßwerkteiles
dar.
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Die Umformung des Drehwinkels in eine entsprechende Impulszahl geht
mit um so größerer Betriebssicherheit vor sich, je größer die Änderungen der Impedanz
des Oszillatorschwiiigkreises sind, die beim Drehen der Dämpfungsscheibe erreicht
Werden können. Außerdem muß verlangt werden, daß derjenige Dämpfungswert, bei dessen
Durchschreiten jedesmal ein Impuls erzeugt wird, eirideutig ganz bestimmten, längs
des Umfangs der Dämpfungsscheibe periodisch wiederkehrenden Stellen des Scheibenrandes
zugeordnet ist.
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Schon die Innehaltung dieser Bedingungen macht bei Verwendung der
bisher üblichen metallischen Dämpfungsscheiben, die meist aus unmagnetischem Stahl
bestehen, gewisse Schwierigkeiten. Der Rand der Dämpfungsscheibe läuft in dem Luftspalt
eines Eisenkerns, auf den die Schwingkreisspule und gegebenenfalls auch die Rückkopplungsspule
des Hochfrequenzoszillators gewickelt ist. Ist der Luftspalt des Eisenkerns voll
durch einen Vorsprung der Dämpfungsscheibe bedeckt, so herrscht maximale Dämpfung.
Die Dämpfung wird am kleinsten, Wenn sich in
dem Luftspalt überhaupt kein Metall
befindet; das ist der Fall, wenn die Projektion des Eisenkerns auf die Dämpfungsscheibe
genau in die Mitte eines Ausschnittes am Rande dieser Dämpfungsscheibe fällt.
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Auch in dieser Stellung übt aber die Dämpfungsscheibe immer noch eine
gewisse Dämpfung auf den Schwingkreis aus, weil sich ja das magnetische Feld im
Luftspalt seitlich ausbreitet. Man kann diese Restdämpfung dadurch klein machen,
daß man die Aussparung am Rande der Dämpfungsscheibe, gemessen an dem Querschnitt
des Eisenkerns, verhältnismäßig groß macht. Dann nimmt aber jede Aussparung einen
verhältnismäßig großen Teil des gesamten Scheibe umfangs ein, so daß die Zahl der
Ausnehmungen, die am Rande der Dämpfungsscheibe untergebracht Werden können, geringer
wird. Das setzt wiederum die Genauigkeit, mit der der Drehwinkel der Dämpfungsscheibe
gemessen werden kann, herab.
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Diese Verhältnisse werden um so günstiger, je kleiner man die Weite
des Luftspaltes im Eisenkern der Schwingkreisspule macht, weil dann die seitliche
Streuung des Magnetfeldes geringer wird. Je kleiner aber die Luftspaltweite gemacht
wird, um so höher werden die Ansprüche, die an das Planlaufen der Dämpfungsscheibe
bzw. an die Schlagfreiheit des Scheibenlaufs gestellt werden müssen.
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Wenn die metallische Dämpfungsscheibe eigentlich stillstehen sollte,
kann es vorkommen, daß sie in Wirklichkeit kleine Pendelungen um eine Ruhelage herum
ausführt. Diese Pendelungen, die ja Schwankunden der Schwingkreisdämpfung bewirken,
dürfen nicht zur Aussendung von Impulsen Anlaß geben, da
solche
Impulse eine Drehbewegung vortäuschen würden, die gar nicht vorhanden ist.
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Es ist bekannt, diesem unerwünschten Effekt dadurch zu begegnen,
daß der Hochfrequenzoszillator eine elektrische Hysterese aufweist. Dies hat aber
den Nachteil, daß die Hysterese eines solchen Hochfrequenzoszillators stark abhängig
ist von den Toleranzen der Bauelemente, von der Umgebungstemperatur und von der
Speisespannung, weshalb teure Bauelemente und eine gut stabilisierte Speisespannung
verwendet werden müssen.
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Das Entstehen fehlerhafter Impulse kann auch vermieden werden, indem
die metallische Dämpfungsscheibe jeweils zwischen einem Umfangsbereich größter und
einem Umfangsbereich kleinster Dämpfung noch einen Bereich einer bestimmten mittleren
Dämpfung aufweist und durch zusätzliche Schaltungsmittel dafür gesorgt wird, daß
jeweils nur beim Übergang von der mittleren Dämpfung zur höchsten und von der mittleren
Dämpfung zur kleinsten Dämpfung ein Impuls erzeugt wird, daß jedoch kein Impuls
entsteht, wenn die Dämpfung von dem höchsten oder dem kleinsten Wert auf den mittleren
Wert übergeht.
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Wenn in diesem Fall bei einer Drehung der Dämpfungsscheibe die Dämpfung
sich beispielsweise von dem mittleren auf den kleinsten Wert, sodann wieder auf
den mittleren und schließlich auf den höchsten Wert ändert, so werden dabei zwei
Impulse abgegeben. Läuft jetzt die Dämpfungsscheibe aus der Stellung der höchsten
Dämpfung wieder zurück, so kann ihre Drehung den gesamten Winkelbereich mittlerer
Dämpfung überschreiten, ohne daß erneut ein Impuls abgegeben wird. Eine weitere
Rückwärtsdrehung kann man durch ein Rücklaufgesperre verhindern, das einen Rücklauf
der Dämpfungsscheibe über die Mitte des Bereiches mittlerer Dämpfung hinaus verhindert.
Solche Rücldaufgesperre sind z.B. bei Elektrizitätszählern vielfach üblich.
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Bei Verwendung einer metallischen dreistufigen Dämpfungsscheibe hat
diese im Bereich mittlerer Dämpfung einen solchen Radius, daß sie radial etwa bis
zur Hälfte in den Luftspalt hineinragt. Von diesem Maß, um das die Dämpfungsscheibe
in den Luftspalt hineinragt, ist aber die Dämpfung in außerordentlich starkem Maße
abhängig, und damit die mittlere Dämpfung einwandfrei definiert ist, ist es notwendig,
einen ganz bestimmten Abstand von der Scheibenachse zum Magnetkern genau innezuhalten,
was fertigungstechnisch Schwierigkeiten bereitet bzw. eine kostspielige Justierung
notwendig macht.
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Es ist ferner bekannt, für Kodiervorrichtungen Kreisscheiben mit
gedruckten Schaltungsmustern und Schleifbürsten zu deren Abtastung zu verwenden.
Als Ausgangsmaterial für die Kreisscheiben dient dabei meistens eine Platte aus
Hartpapier oder Hartgewebe, die einseitig oder beidseitig mit einer dünnen Kupferschicht
belegt ist. Die gewünschten Leitungsbahnen werden mit einem säurefesten Lack auf
die Kupferschicht aufgezeichnet oder aufgedruckt, und bei der nachfolgenden Ätzung
bleibt die Kupferschicht nur dort erhalten, wo sie mit Lack bedeckt ist. Der Lack
kann nachträglich entfernt werden. Die digitale Umformung des Drehwinkels in Impulse
nach dieser Methode ist wegen der Reibung der Schleifbürste auf der Kreisscheibe
und wegen der Korrosionsgefahr der Kontakte für viele Anwendungen ungeeignet.
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Die Nachteile der bekannten Einrichtungen werden erfindungsgemäß
dadurch behoben, daß die drehbare
Dämpfungsscheibe aus einer unmagnetischen, elektrisch
isolierenden Kreisscheibe besteht, die in der Kreisringzone, zwischen deren Radien
das Magnetfeld durch sie hindurchtritt, mindestens auf der einen Oberfläche auf
dem ganzen Umfang oder einem Teil davon nach Art einer gedruckten Schaltung hergestellte,
in sich geschlossene, mit der Schwingkreisspule koppelbare Leiterschleifen aufweist.
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Die Erfindung möge an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigt F i g. 1 die Ansicht, Fig. 2 die Draufsicht auf eine Dämpfungsscheibe und
einen Eisenkern, Fig. 3 ein Schaltbild für das Zusammenwirken einer Schwingkreisspule
mit den Leiterschleifen einer gedruckten Schaltung, F i g. 4 ein Ersatzschaltbild
und F i g. 5 und 6 einen Ausschnitt einer anderen Ausführungsform der Dämpfungsscheibe
in Ansicht bzw.
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Draufsicht.
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In dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 ist mit 1 eine
um eine Achse 2 drehbare Dämpfungsscheibe, mit 3 eine Schwingkreisspule und mit
4 ein Schwingkreiskondensator eines nicht dargestellten Hochfrequenzoszillators
bezeichnet. 5 ist der Eisenkern der Schwingkreisspule 3, der durch einen Luftspalt
6 unterbrochen, im übrigen aber geschlossen ist. Zwischen den Oberflächen des Eisenkerns
5, die beiderseits den Luftspalt 6 begrenzen, läuft der Rand der Dämpfungsscheibe
1 um.
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Es ist angenommen, daß die Dämpfungsscheibe 1 aus den obenerläuterten
Gründen, an ihrem Umfang sich sechsmal periodisch wiederholend, eine Folge von Gebieten
größter und Gebieten kleinster Dämpfung aufweist, zwischen denen jeweils ein Gebiet
mittlerer Dämpfung eingeschlossen ist.
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Die auf der Dämpfungsscheibe 1 aus Hartpapier oder Hartgewebe nach
Art einer gedruckten Schaltung angebrachten, geschlossenen Leiterschleifen 7 bzw.
8 bestehen je aus zwei radialen und zwei in Umfangsrichtung bzw. tangential dazu
verlaufenden leitenden Teilpfaden. Diese Leiterschleifen 7 bzw. 8 sind am Rand der
Dämpfungsscheibe 1 angebracht, und zwar so, daß ihre radiale Erstreckung b wesentlich
größer ist als die radiale Erstreckung d des Luftspaltes 6 im Eisenkern 5. Dabei
soll die Mitte des Maßes d mit der Mitte des Maßes b übereinstimmen.
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Die größte Schleifenweite, in Umfangsrichtung gemessen, haben die
Leiterschleifen 7. Ihre mittlere Schleifenweite ist größer als die Breite c des
Eisenkernes 5, so daß in der gezeichneten Stellung der Dämpfungsscheibe 1, wo eine
Leiterschleife 7 gerade in dem Luftspalt 6, und zwar symmetrisch zu diesem, liegt,
die Projektion des Eisenkernes 5 auf die Scheibenoberfläche von der Leiterschleife
7 vollkommen umschlossen wird. Die betrachtete Leiterschleife 7 im Luftspalt 6 ist
deshalb sehr fest mit der Schwingkreisspule 3 gekoppelt, die Resonanzimpedanz des
Schwingkreises 3, 4 ist sehr klein, und der Schwingkreis infolgedessen stark gedämpft.
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Symmetrisch gegenüber den Leiterschleifen 7 versetzt, befinden sich
am Umfang der Dämpfungsscheibe 1 Bereiche 9, die von Leiterschleifen frei sind.
Befindet sich eine solche Stelle 9 in dem Luftspalt 6, so ist die Resonanzimpedanz
des Schwingkreises 3, 4 am größten und die Dämpfung des Schwingkreises am kleinsten.
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Zwischen den Leiterschleifen 7 und den leiterschleifenfreien Gebieten
9 am Umfang der Dämpfungsscheibe 1 befinden sich nun jeweils noch Gebiete, in denen
nebeneinander mehrere Leiterschleifen 8 angeordnet sind, deren mittlere Schleifenweite
wesentlich kleiner, z. B. nur halb so groß ist wie die Breite c des Eisenkernes
5. Befindet sich ein solches mit den schmaleren Leiterschleifen 8 bedecktes Gebiet
der Dämpfungsscheibe 1 in dem Luftspalt 6, so stellt sich wegen der loseren Kopplung
dieser Leiterschleifen mit der Schwingkreisspule 3 eine Dämpfung des Schwingkreises
3, 4 ein, die zwischen der größten und der kleinsten Dämpfung liegt.
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Der tatsächliche Wert der Dämpfung in diesem Gebiet hängt zwar etwas
von der Stellung der Dämpfungsscheibe 1 ab, so daß bei konstanter Drehgeschwindigkeit
der Dämpfungsscheibe 1 die Dämpfung in diesem Gebiet periodisch um einen Mittelwert
schwankt. Diese Schwankungen lassen sich jedoch durch entsprechende Bemessung der
Leiterschleifen 8 so klein halten, daß sie nicht stören.
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In Fig. 3 ist ein Schaltbild für die induktive Kopplung der Schwingkreisspule
3 mit einer Leiterschleife 7 bzw. 8 auf der Dämpfungsscheibe 1 dargestellt. Darin
ist R1 der ohmsche Widerstand der Schwingkreisspule 3, R2 der ohmsche Widerstand
der geschlossenen Leiterschleife 7 bzw. 8 auf der Dämpfungsscheibe 1. Mit L1 und
L2 sind die Selbstinduktivitäten der Schwingkreisspule 3 und der Leiterschleife
7 bzw. 8 bezeichnet. Beide sind über die Gegeninduktivität M miteinander gekoppelt.
Für die Gegeninduktivität gilt bekanntlich M k. }ML1.L2, worin k der Kopplungsfaktor
ist, der stets kleiner als Eins ist. Man erkennt, daß die zwischen den Klemmen 10
der Schwingkreisspule 3 liegende Gesamtimpedanz bei gegebenen Selbstinduktivitäten
und gegebenen ohmschen Widerständen von der Gegeninduktivität zwischen der Schwingkreisspule
3 und der geschlossenen Leiterschleife 7 und 8 auf der Dämpfungsscheibe 1 abhängt.
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Mit der angegebenen Beziehung für M läßt sich für das Schaltbild
nach F i g. 3 das Ersatzschaltbild nach Fig. 4 zeichnen. Man erkennt daraus, daß
für eine große Dämpfung, d. h. für eine kleine Impedanz zwischen den Klemmen 10
der Widerstand R2 der Leiterschleife klein und ihre Induktivität L2 groß gemacht
werden muß. Außerdem soll der Kopplungsfaktor k möglichst nahe bei Eins liegen.
Der Kopplungsfaktor k und die Selbstinduktivität L2 werden Null, wenn die Breite
der Leiterschleife gegen Null geht. Mit wachsender Breite der Leiterschleife wächst
sowohl deren Induktivität Lo als auch der Kopplungsfaktor k. Der Kopplungsfaktor
k erreicht seinen Höchstwert etwa dann, wenn die Weite der Leiterschleife mit der
Breite c des Eisenkerns 5 in F i g. 2 übereinstimmt. Vergrößert man die Breite der
Leiterschleife darüber hinaus, nimmt zwar die Induktivität L, noch weiter zu, der
Kopplungsfaktor k nimmt jedoch wieder ab. Bei gegebener radialer Erstreckung der
Leiterschleife gibt es also eine ganz bestimmte Leiterschleifenweite, bei der die
Dämpfung des Schwingkreises 3, 4 ein Maximum wird. Bei Verkleinerung der Leiterschleifenweite
nimmt die Dämpfung mehr und mehr bis schließlich annähernd gegen den Wert Null ab.
Man kann also durch Wahl der Weite der Leiterschleifen 7 bzw. 8 jeden beliebigen
Dämpfungswert zwischen dem Höchstwert und annähernd Null einstellen.
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Damit in dem Bereich mittlerer Dämpfung die schon erwähnten Schwankungen
der Dämpfung möglichst klein werden, müssen immer mehrere Leiterschleifen 8 gleichzeitig
in dem Luftspalt liegen. Die Schwankungen werden um so geringer, je feiner die Struktur
der Leiterschleifen gewählt wird. Das läßt sich aber bei der gedruckten Schaltung
nicht beliebig weit treiben. Die Grenze liegt ungefähr bei 0,3 mm für Leiterbreite
und Leiterabstand. Unterhalb dieser Grenze hängen die Abmessungen zu stark von der
Ätzzeit ab.
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Man kann diese Verhältnisse verbessern, wenn man die Dämpfungsscheibe
1, wie es die Fig. 5 und 6 in Ansicht und Draufsicht für einen Ausschnitt einer
Dämpfungsscheibe 1 zeigen, auf beiden Oberflächen mit Leiterschleifen belegt und
dafür sorgt, daß die Leiterschleifen in dem Umfangsbereich mittlerer Dämpfung auf
der einen Oberfläche um eine halbe Teilung gegenüber den entsprechenden Leiterschleifen
auf der anderen Oberfläche versetzt sind.
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Das führt dann allerdings dazu, daß die Weite der für volle Dämpfung
bestimmten Leiterschleifen auf der einen Oberfläche größer werden muß als auf der
anderen. In den Fig. 5 und 6 sind die entsprechenden Leiterschleifen mit 7 und 71
und ihre Weiten mit f und f, bezeichnet. Die Verhältnisse sind dabei so gewählt,
daß die Weite f, der auf der unteren Oberfläche befindlichen Schleife 71 noch etwas
größer ist als die Breite c des Eisenkerns 5. Das gleiche gilt für die Weiten g
und g1 des leiterschleifenfreien Teiles 9 des Umfanges der Dämpfungsscheibe 1. Auch
hier ist die Breite g dieses Teiles auf der oberen Oberfläche größer als die Breite
g1 auf der unteren Oberfläche. Die für mittlere Dämpfung bestimmten Leiterschleifen
8 haben auf beiden Oberflächen die gleiche Weite e, wobei in jedem Bereich mittlerer
Dämpfung die Zahl der Leiterschleifen 8 auf der unteren Oberfläche um Eins größer
ist als auf der oberen Oberfläche.
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Die obenerwähnte Hysterese bei der Bildung der Impulszahl kann z.
B. dadurch erreicht werden, daß Mittel vorgesehen werden, durch welche ein dem Oszillatorschwingkreis
parallelliegender Dämpfungswiderstand beim Aussetzen der Oszillatorschwingung eingeschaltet,
beim Einsetzen der Schwingung wieder ausgeschaltet wird.