CH353179A

CH353179A - Verfahren zum Messen von Winkeln

Info

Publication number: CH353179A
Authority: CH
Inventors: Wirth Armin
Original assignee: Wirth Armin
Priority date: 1960-01-25
Filing date: 1960-01-25
Publication date: 1961-03-31

Description

Verfahren zum Messen von Winkeln
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Winkeln.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, Winkel mit einer Genauigkeit von 0, 001% zu messen. Bei den üblichen Verfahren wird eine materielle Kreisteilung, z. B. ein Teilkopf mit Zahnrädern oder eine Strichteilung, zugrunde gelegt, deren Herstellung bei der verlangten Genauigkeit praktisch unmöglich und wirtschaftlich untragbar ist.

Beim Verfahren gemäss der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem der zu messende Winkel in digitaler Form angezeigt wird.

Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein rotierendes Element an einem Schwingungsgenerator mit einem festen Untersetzungsverhältnis derart gekuppelt wird, dass auf einen vollen Umgang des Elementes eine bestimmte Zahl von Schwingungsperioden entfällt, so dass die auf den durch die beiden Marken bestimmten Boden entfallende Schwingungsperiodenzahl dem zu messenden Winkel entspricht, welch letztere Schwingungsperiodenzahl durch einen Zähler registriert wird, der beim Vorbeidrehen des Elementes an den Marken eine und ausgeschaltet wird.

Zur Anwendung dieses Verfahrens zum Messen des Ausschlagwinkels einer Neigungswaage sieht die Erfindung einen Neigungshebel vor mit zur Last proportionalen Winkelbewegungen, eine am Gehäuse befestigte Anfangsmarke, eine am Hebel befestigte Endmarke, geeignet, den Durchgang des rotierenden Elementes wahrzunehmen, welches konzentrisch zur Drehachse des Neigungshebels rotiert, verbunden mit Schwingungskreisen und einem Zählwerk.

In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt.

An Hand dieser Beispiele wird das Verfahren ebenfalls beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel,
Fig. 5 schematisch die Anwendung des Verfahrens bei einer Waage und
Fig. 6 eine Variante zu Fig 5.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Hochfrequenzschwingungskreis, der Impulse erzeugt, die einem Zähler 2 zugeleitet werden. Ferner ist an dem Schwingungskreis 1 ein Frequenzwandler 3 angeschlossen, über welchen ein Niederfrequenz-Schwingungskreis 4 gespiesen wird. Dieser leitet Impulse an einen Rotor 5, der mit verhältnismässig kleiner Geschwindigkeit rotiert. Sofern die Drehbewegung des Rotors 5 eine Neigung zeigt, im Sinne eines periodischen Vor- und Nachlaufens gegenüber den Impulsen des Kreises 4 zu variieren, ist eine Dämpfung 6 vorgesehen. Im Falle eines Synchronmotors kann diese Dämpfung 6 z. B. mittels Hilfswicklungen verwirklicht werden. An dem Rotor 5 ist ein Zeiger 7 befestigt, der mit ihm rotiert und die Marken A und E bestreicht.

Diese Marken A und E bezeichnen den Anfang und das Ende des dem zu messenden Winkel entsprechenden Intervalls, während welchem Impulse gezählt werden sollen. Sie sind mit dem Zählwerk 2 gekoppelt und schalten dasselbe ein und aus. Als Dämpfung kann man auch eine zusätzliche Belastung vorsehen, so dass die Totalbelastung stärker ansteigt als die Tourenzahl. Man könnte z. B. einen Luftflügel vorsehen.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem zur Erzeugung der Grundfrequenz der Niederfrequenz-Schwingungskreis 4 gewählt worden ist. In diesem Falle ist der Frequenzwandler 3 vom Kreis 4 gespiesen, und er selbst speist den Kreis 1.

Im Beispiel gemäss Fig. 3 wird eine ähnliche Anordnung vorgesehen, wobei die Geschwindigkeit des Rotors 5 den Kreis 3 steuert.

Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 ist ein Synchronmotor 8 vorgesehen, der von einem Niederfrequenzstromkreis z. B. vom Netzstrom gespiesen wird.

Auf der gleichen Welle und zweckmässig mit gleichem Magnetsystem ist ein Wechselstromgenerator 9 gelagert, der den Niederfrequenz-Schwingungskreis 4 speist.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 und 2 wird, sofern der Rotor 5 trägheitslos ist, eine Dämpfung 6 zwischen 4 und 5 nicht notwendig sein. In einem solchen Falle sind bei der Ausführung gemäss Fig. 1 und 2 die Ansprüche an die Konstanz des Kreises 1 gering.

Ist jedoch der Rotor 5 träge (z. B. ein Synchronmotor), so sind die Ansprüche an die Konstanz des Kreises 1 grösser, und es kann beispielsweise hierfür eine Quarzuhr verwendet werden. ähnlich liegen die Verhältnisse bei Fig. 2. Bei Fig. 3 wirkt sich eine evtl. absichtlich erhöhte Trägheit des Rotors 5 günstig aus. Die Geschwindigkeit des Rotors 5 wird gleichmässig. Sofern die Steuerung des Hochfrequenzkreises 1 trägheitsfrei dem verhältnismässig guten Gleichlauf des Rotors 5 folgt, ergibt sich eine gute Genauigkeit. ähnlich arbeitet die Anordnung nach Fig. 4. Eine Speisung mit Netzfrequenz, letztere gegebenenfalls mit bekannten Mitteln noch stabilisiert, treibt den Synchronmotor 8. Dies ergibt mit dem auf der gleichen Welle sitzenden Wechselstrom-Generator 9 einen guten Gleichlauf. Somit weisen auch die Kreise 4 und 1 gute Konstanz auf.

Da die elektrischen Kreise 4, 3 und 1 im allgemeinen trägheitsfrei genug arbeiten, müssen an die Gleichmässigkeit des Gleichlaufes von 8 und 9 keine besonderen hohen Ansprüche gestellt werden.

Die dargestellte Vorrichtung kann zur Winkelmessung auf irgendwelchen Gebieten benützt werden.

Durch besondere Anordnung kann anstelle des Winkelwertes auch eine Funktion des Winkels abgegriffen werden, z. B. gleichmässig fortschreitende Sinus- oder Tangens-Intervalle (oder deren reziproken Werte).

Auf diese Weise ist es auch möglich, über den Winkelwert hinweg eine Strecke zu messen durch Auszählen kleiner Einheiten dieser Strecke.

Nachstehend ist die Anwendung der Winkelmessung für eine Neigungswaage beschrieben, bei welcher der Winkelausschlag des Waagebalkens sich proportional zur aufgelegten Last verändert, und der der Last entsprechende Winkel festgestellt und digital zur Anzeige gebracht werden soll.

Eine solche Waage ist in Fig. 5 schematisch dargestellt. Der Waagebalken 10 trägt einerseits ein lastausgleichendes Gewicht 11 und anderseits einen Sektor 12, an welchem ein Band 13 angebracht ist, das in bekannter Weise über einen Hebel 14 von der Zugstange 15 belastet ist. Letztere ist in nicht dargestellter Weise mit dem Unterwerk der Waage verbunden. Konzentrisch zum Drehpunkt des Waagebalkens 10 ist ein Zeiger 17 drehbar gelagert, der von einem nicht dargestellten Synchronmotor im Uhrzeigerdrehsinn angetrieben ist. Ferner ist als Marke A eine Photozelle 18 und als Marke E eine an dem Arm 19 angebrachte Photozelle 20 vorgesehen. Eine nicht dargestellte Lichtquelle beleuchtet das Feld 21 gleichmässig. Bei jeder Umdrehung des Zeigers 17 verdunkelt dieser je einmal die Lichtzellen 18 und 20, wodurch Eine und Ausschalten der Zählung gegeben werden.

Ein beispielsweise durch eine Quarzuhr gesteuerter Schwingungsgenerator 22 erzeugt eine Messfrequenz von beispielsweise 219 Hz. Durch Frequenzteilung im Wandler 23 werde diese Frequenz herabgesetzt auf 23 Hz. Der nicht dargestellte sechzehnpolige Synchronmotor dreht sich deshalb mit 1/2 UISek. Auf einen Umgang entfallen also 260148 Schwingungsperioden. Der maximale Winkelausschlag a des Armes 19 beträgt etwa 130 50', so dass auf diesen Ausschnitt beim Durchgang des Zeigers 17 10000 Schwingungsperioden entfallen.

Anfang und Ende des Zählens wird beispielsweise durch den Durchgang des Zeigers 17 durch die Lichtzellen 19 und 20 gegeben, womit jede Winkelstellung zwischen den Lichtzellen 18 und 20 innerhalb des beleuchteten Feldes 21 in Einheiten von des vollen Um
260148 fanges oder 1 0OO des Winkels a ausgezählt wird.

10000 Die Lichtzellen 18 und 20 sind durch Leitungen 24, 25 und 13 mit dem Verstärker und Zählaggregat 2 verbunden, welches beispielsweise vermittels dekadischer Zählröhren die Auszählung in Gewichtseinheiten anzeigt. Das Resultat erscheint direkt in Zahlen in den Fenstern des Anzeigekopfes 26. Wie bei Neigungswaagen üblich, ist eine Dämpfung vorgesehen (Luft, Öl oder Wirbelstrom). Diese würde am besten kritisch eingestellt, so dass der Hebel 10 unmittelbar auf die richtige Stelle einschwingt. Die Dämpfung kann aber auch periodisch oder aperiodisch eingestellt werden.

Das im Zähler und Verstärkeraggregat 2 empfangene Resultat wird z. B. direkt an den Zählröhren sichtbar gemacht oder an einen Drucker weitergegeben. Soll die Waage dauernd wiegebereit sein, das heisst bei rasch aufeinanderfolgenden Wiegungen, rotiert der Motor mit dem Zeiger 17 dauernd.

Für einzelne Wiegungen hingegen kann der Motor durch die aufgelegte Last in Bewegung gesetzt und nach erfolgter Anzeige am Zählwerk 26 wieder ausser Betrieb gesetzt werden.

Gemäss dem vorstehenden Beispiel dauert das Auszählen des maximalen Ausschlages knapp 1150 sec.

Wenn anstelle eines Zeigers 17 mehrere, beispielsweise deren 16, angebracht werden, erfolgt das Auszählen 8mal je sec.

Solange die Waage nicht eingespielt hat, oder bei fortlaufenden kleinen Veränderungen der Last, erscheint somit je 1!s sec eine neue Anzeige. Sobald das Resultat sich nicht mehr verändert oder nur um eine Stelle schwankt, ist der Stillstand der Waage bzw. das richtige Resultat angezeigt. Nicht in allen Fällen wird diese Art der Anzeige zweckmässig, sondern nach dem Einspielen der Waage eine direkte feststehende Anzeige erwünscht sein. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Beispielsweise können die in Zähler und Verstärkeraggregat 2 unmittelbar nacheinander empfangenen Resultate auf einen Speicher gegeben und erst nach zwei- oder mehrmaligem Auszählen des gleichen oder um nicht mehr als 1 abweichenden Wertes sichtbar gemacht werden.

Dies kann beispielsweise geschehen durch Entfernen einer die Zählröhren verdeckende Blende oder dadurch, dass das im Speicher festgehaltene Resultat beispielsweise Ziffernrollen für Anzeige oder Druck betätigt.

Es kann auch irgendeine andere, z. B. mechanische, elektrische oder photoelektrische Kontrolle des Stillstandes der Waage angebracht werden, welche entweder den Beginn des Zählens oder das Sichtbarmachen oder Weitergabe des Resultats vom Stillstand des Waaghebels 1 abhängig macht.

Fig. 6 zeigt beispielsweise die Anwendung der Winkelmessung bei einer Waage, deren Hebel 27 durch zwei Schneiden 28 und 29 begrenzt ist. Bei diesen Waagen ist die Grösse des Anschlagwinkels bekanntlich kein lineares Mass für die aufgelegte Last 30. Hingegen entsprechen gleichmässig zugelegte Lastintervalle gleichmässig steigenden Tangensdifferenzen. Geometrisch lässt sich dies einfach darstellen.

Die verlängerte Schneidengerade 31 schneidet bei gleichmässig zugelegten Lasten auf der senkrechten Geraden 32 gleichmässige Strecken 33 aus. Wird der Drehpunkt 36 des Zeigers 17 nicht wie bei Fig. 5 konzentrisch zum Drehpunkt des Waagebalkens gelegt, sondern so zwischen den Drehpunkt 35 und die senkrechte Gerade 32, dass die Strecken 36 und 37 sich wie 1 :1,7 verhalten, und denkt man sich den Zeiger 17 gleitend auf dem Schnittpunkt der Schneidengeraden 31 mit der senkrechten Geraden 32, so sind die Winkeldifferenzen B genügend genau proportional zur aufgelegten Last. Analog zur beispielsweisen Anordnung von Fig. 5 können die zugehörigen Marken und Zähler und Speicherelemente angebracht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum digitalen Messen von einem durch zwei Marken angegebenen Winkel, dadurch gekennzeichnet, dass ein rotierendes Element an einem Schwingungsgenerator mit einem festen Untersetzungsverhältnis derart gekuppelt wird, dass auf einen vollen Umgang des Elementes eine bestimmte Zahl von Schwingungsperioden entfällt, so dass die auf den durch die beiden Marken bestimmten Bogen entfallende Schwingungsperiodenzahl dem zu messenden Winkel entspricht, welch letztere Schwingungsperiodenzahl durch einen Zähler registriert wird, der beim Vorbeidrehen des Elementes an den Marken eine und ausgeschaltet wird.

II. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zum Messen des Ausschlagwinkels einer Neigungswaage, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungshebel vorgesehen ist mit zur Last proper tionalen Winkelbewegungen, eine am Gehäuse befestigte Anfangsmarke, eine am Hebel befestigte Endmarke, geeignet den Durchgang des rotierenden Ele nietes wahrzunehmen, welches konzentrisch zur Drehachse des Neigungshebels rotiert, verbunden mit Schwingungskreisen und einem Zählwerk.

UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Element masselos ist, und zwar ein niederfrequentes Drehfeld elektrischer oder magnetischer Art, dessen Feldverteilung derart ist, dass ausgesprochene Minima oder Maxima oder steile An- bzw. Abstiege vorhanden sind, geeignet, von Antennen oder Spulen wahrgenommen zu werden, wobei ein Auszählen der Schwingungsperiodenzahl eines Hochfrequenzkreises erfolgt, welcher über einen Frequenzwandler mit fester Üb ersetzung vom niederfrequenten Drehfeld gesteuert wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein stabilisierter Hochfrequenz Schwingungskreis die Hochfrequenzimpulse einerseits über einen Frequenzwandler mit festem Untersetzungsverhältnis an einen Niederfrequenz-Schwingungskreis abgibt, wobei letzterer vermittels fester Untersetzung einen massebehafteten Rotor (z. B. Synchronmotor) antreibt, auf dem ein drehendes Element befestigt ist anderseits Impulse an ein Zählwerk abgibt, wobei Anfang und Ende der Zählung durch Vorbeigang des drehenden Elementes an geeigneten Marken bestimmt sind.

3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein stabilisierter Niederfrequenz Schwingungskreis die Niederfrequenzimpulse einerseits vermittels fester Untersetzung einen massebehafteten Rotor (z. B. Synchronmotor) antreibt, auf dem ein drehendes Element befestigt ist, anderseits über einen Frequenzwandler mit festem Ubersetzungsverhältnis einen Hochfrequenzkreis steuert, dessen Impulse an ein Zählwerk gehen, wobei Anfang und Ende der Zählung durch Vorbeigang des drehenden Elementes an geeigneten Marken bestimmt sind.

4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels direktem oder egalisiertem Netzstrom ein massebehafteter Rotor möglichst gleichmässig angetrieben wird, auf dem ein drehendes Element befestigt ist und der ausserdem mit einem Wechselstromgenerator verbunden ist, welcher Strom an einen Niederfrequenzkreis abgibt, wobei letzterer iiber einen Frequenzwandler mit fester Übersetzung einen Hochfrequenzkreis steuert, dessen Impulse an ein Zählwerk gehen, wobei Anfang und Ende der Zählung durch Vorbeigang des drehenden Elementes an geeigneten Marken bestimmt sind.

5. Verfahren nach Unteransprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen Niederfrequenzkreis und massebehaftetem Rotor gedämpft ausgeführt bzw. mit einer zusätzlichen Dämpfung ausgestattet ist.

6. Anwendung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch zwei Schneiden begrenzter Neigungshebel vorgesehen ist, dass die Drehachse des rotierenden Elementes Abstand von der Drehachse des Waagebalkens hat, dass Marken vorgesehen sind, geeignet, den Schnittpunkt der verlängerten Schneidelinie des Waagebalkens mit einer Geraden abzutasten, diese Anordnung verbunden mit Schwingungskreisen und einem Zählwerk.