-
Ausgehend von dem bekannten Poggendorf-Kompensator wird ein neues
Verfahren beschrieben, das eine digitale Messung von elektrischen Größen und gleichzeitig
die Zuordnung einer Winkelstellung zur Meßgröße gestattet.
-
Eine selbstabgleichende Anordnung, wie sie in automatischen Kompensatoren
und Kompensationsschreibern bereits vielfältige Anwendung gefunden hat, ist im Prinzip
in F i g. 1 gezeigt. Die Eingangsspannung Um wird mit dem am Schleifer 1 des Potentiometers2
abgegriffenen Teil U, der Normalspannung 3 über den Nullindikator 4 verglichen.
Der Schleifer wird so lange nachgestellt, bis die Differenz beider Spannungen Null
ist. Die Nachstellung des Schleifers geschieht durch den Motor 5, welcher mechanisch,
meist über ein Getriebe, mit der Achse des Potentiometers gekuppelt ist und von
der Differenzspannung zwischen Ue und Uv meist über einen Verstärker gesteuert wird.
Mit der Achse des Potentiometers ist entweder direkt oder über einen Seilzug ein
Anzeige- bzw. Schreiborgan verbunden, dessen Stellung ein Maß für die Eingangsgröße
ist.
-
Die fortschreitende Automatisierung der Meßwerterfassung und die
Bestrebungen, Meßergebnisse in Ziffernform anzuzeigen und zu drucken, machen es
erforderlich, den Anwendungsbereich der sehr genauen Kompensationsschreiber durch
zusätzliche Einrichtungen zur digitalen Darstellung des Meßergebnisses zu erweitern.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß mit dem Potentiometer ein digitaler
Winkelstellungsgeber gekoppelt wird.
-
Digitale Winkelstellungsgeber sind Geräte, die einem Drehwinkel oder
der einem Drehwinkel proportionalen Größe einen codierten Zahlenwert zuordnen. Als
Beispiel sei die Zuordnung der Ziffern 0 bis 1000 zu den Winkelstellungen 0 bis
3600 angeführt, wobei die Endwerte beispielsweise 1000/o des zu erfassenden Wertebereichs
einer physikalischen Größe entsprechen.
-
Das Prinzip des digitalen Winkelstellungsgebers ist in Fig. 2 dargestellt.
Mit der Achse 6, deren Drehwinkel erfaßt werden soll, ist der Codeträger 7 verbunden,
auf dem in mehreren konzentrischen Ringbahnen ein Coderaster angebracht ist. Je
nach der Anzahl der zu unterscheidenden Winkelstellungen und dem verwendeten Code
wird eine bestimmte Anzahl von Coderingen benötigt. Für meßtechnische Anwendungen
werden einschrittige Codes bevorzugt, die auf einfache Weise in einen bewertbaren
Binärcode umgesetzt werden können. Als bewertbare Codes kommen insbesondere tetradische
Codes in Betracht, welche vier Binär-Einheiten pro Dekade enthalten und beispielsweise
nach den Wertigkeiten 8-4-2-1 (natürlicher Binärcode) oder 2-4-2-1 (Aiken Code)
gestuft sind. Für jedeDekade sind in diesem Fall vier Coderinge erforderlich, bei
einem Auflösungsvermögen von 1000 für 3600 dementsprechend zwölf.
-
Die Ablesung des Codes erfolgt mit der Abtastvorrichtung 8 beispielsweise
nach einem optischen Verfahren, bei welchem ein transparenter Coderaster durchleuchtet
und von lichtempfindlichen Elementen (Photodiode, Phototransistor, Photowiderstand)
erfaßt wird oder nach einem elektromechanischen Verfahren, bei welchem die Codebahnen
leitend sind und über Bürsten elektrische Stromkreise schließen. Die zu den einzelnen
Codebahnen gehörenden Abtastelemente geben in ihrer Gesamtheit den der Winkelstellung
entsprechenden Code ab.
-
Eine weitere Art der digitalen Meßwertdarstellung besteht bei einem
selbstabgleichenden Kompensator darin, die Potentiometerachse mechanisch mit Zählrädern
zu koppeln, auf denen man den Meßwert digital ablesen kann. Schließlich hat man
auch vorgeschlagen, die digitale Meßwertdarstellung durch das Umschalten auf eine
weitere selbstabgleichende Brückenschaltung zu bewirken.
-
In allen diesen Fällen wird jedoch ein stetig abgleichendes Potentiometer
verwendet, was sich wegen des auftretenden Verschleißes nachteilig auf die Anzeigegenauigkeit
auswirkt.
-
Demgegenüber wird erfindungsgemäß in Anlehnung an die oben beschriebene,
selbstabgleichende Anordnung die Vergleichsspannung Uv unter Weglassung des Potentiometers
2 mit Hilfe eines digitalen Winkelstellungsgebers dadurch erzeugt, daß der der Winkelstellung
entsprechende Ziffernwert in eine proportionale elektrische Größe umgesetzt wird.
Bei optischer Abtastung des Codeträgers ist als besonderer Vorteil dieser Anordnung
der berührungsfreie Abgriff zu nennen.
-
Liegt nach F i g. 3 die Winkelstellung einer Achse 6 nach Erfassung
mit einem digitalen Winkelstellungsgeber 7 und 8 und nötigenfalls nach entsprechender
Codeumsetzung 9 als tetradisch bewertbarer Code vor, so wird eine dem Ziffernwert
der digitalen Darstellung entsprechende analoge elektrische Größe dadurch erzeugt,
daß jede der vier Stufen einer Dekade einen Schalter 10 betätigt, beispielsweise
einen Relaiskontakt, der aus einer Normalspannungsquelle 11 über einen Normalwiderstand
12 einen definierten Teilstrom über den Summierwiderstand 13 fließen läßt. Je nachdem,
ob eine Stufe »ein«- oder »aus«-geschaltet ist, ist der von ihr gelieferte Teilstrom
gleich ihrer Wertigkeit oder gleich Null. Der Spannungabfall am Widerstand 13 ist
dann proportional der Summe der Teilströme. Soll nach diesem Verfahren eine in tetradischer
Form vorliegende dreistellige Zahl in einen proportionalen Strom umgesetzt werden,
so sind die Teilströme der Hunderter-Dekade durch geeignete Dimensionierung der
Normalwiderstände 100mal so groß, die der Zehner-Dekade 10mal so groß wie die der
Einer-Dekade festzulegen und über den gemeinsamen Widerstand zu summieren.
-
Um die Genauigkeit der Teilströme zu gewährleisten, muß die Spannung
an den Widerständen 12 mit Hilfe einer Regelschaltung 11 konstant gehalten werden.
Durch diese Maßnahme ist es außerdem möglich, in Serie mit dem Widerstand 13 einen
Lastwiderstand 14, beispielsweise eine Fernanzeige, zu legen, welcher dann von einem
eingeprägten und der Meßgröße proportionalen Gleichstrom durchflossen wird.
-
Der Spannungsabfall am Widerstand 13 ist ein Maß für die Winkelstellung
der Achse 6 und stellt die Vergleichsspannung Uv dar, deren Differenz mit der Eingangsspannung
Ue über einen Nullverstärker 15 den Servomotor 16 steuert. Dieser verstellt die
Achse 6 über ein Getriebe, bis Ue und Uv gleich groß sind. Fest mit der Achse 6
verbunden ist außerdem eine Seilscheibe 17 mit einem Seilzug 18, welche die drehende
Bewegung der Achse 6 in eine Längsbewegung des Schlittens 19 überführen. Damit ist
die Anzeige der Meßgröße auf einer Linearskala 20 oder die Registrierung ermöglicht.
Eine digitale Anzeige 21 wird beispielsweise über einen weiteren Relaiskontakt gesteuert.
-
Soll nach F i g. 4 an Stelle der Eingangsspannung Ue ein Eingangsstrom
Ie gemessen werden, so tritt an Stelle der Vergleichsspannung Uv der Vergleichsstrom
I,, und die Differenz der beiden Ströme steuert über den stromempfindlichen Nullverstärker
15 den Motor 16.
-
Das beschriebene Verfahren geht von der Annahme aus, daß der Eingangsgröße
eine Winkelstellung zugeordnet ist und daß diese einerseits mit Hilfe des digitalen
Winkelstellungsgebers in die Vergleichsgröße umgesetzt, andererseits über eine Seilscheibe
auf einer Linearskala angezeigt wird. Unter Beibehaltung des Abgleichprinzips ist
es natürlich möglich, an Stelle des kreisförmigen Codeträgers einen linearen Codeträger
zu verwenden, was unter Umständen konstruktive Vorteile bringt.