DE1903051B2

DE1903051B2 - Elktronisches laengenmessgeraet

Info

Publication number: DE1903051B2
Application number: DE19691903051
Authority: DE
Inventors: Werner DipL-Ing. 3030 Ronnenberg Gerighausen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-01-22
Filing date: 1969-01-22
Publication date: 1972-05-18
Also published as: DE1903051A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronische; Längenmeßgerät mit einem elektromechanischer Wandler, dessen beim Abtasten des Prüfkörpers au; seiner Ausgangslage verstellter Tastbolzen durcl seine Stellung die Induktivität wenigstens einer Spuk des Wandlers bestimmt.

Bei den Tastern von bekannten elektronische!' Längenmeßgeräte werden elektromechanischeWandler verwendet, bei denen entweder der Abgleich einer Wechselstrom-Widerstandsbrücke oder das Kopplungsverhältnis eines Differentialtransformators durch die Tastbolzenbewegungen beeinflußt wird. Mit Hilfe von eingespeisten Träger-Wechselspannungen liefern die Wandler Ausgangsspannun^en. die der Auslenkung des Tastbolzens aus der Ausgangslage proportional sind (Amplitudenmodulation). Diese Ausgangsspannungen betragen nur einen Bruchteil (rd. lö hi-, 20"t,I der Speisespannungen. Da man die Höhe der Speisespannungen aus Gründen der zulässigen Eigenerwärmung der Längcnfcintastcr in niederen Grenzen hallen muß. sind die Ausgangsspannungen der Wandler sehr klein. Sie müssen daher in besonderen Meßlerstärkern verstärkt und in besonderen phasenempfindlichen Demodulatorcn dcmodulicrt werden, ehe sie einem Anzeigeinstrument, einer Registriervorrichtung oder einem Steuergerät zugeführt werden können.

Aus den genannten Gründen sind die mit Amplitudenmodulation arbeitenden elektronischen Liingenmeßgeräte sehr aufwendig, im Betrieb sehr störanfällig und in der Beschaffung und Unterhaltung sehr teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Längenmeßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich durch einen einfachen Aufbau, niedrige Herstellungskosten und eine besonders zuverlässige Betriebsweise auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen des Wandlers in einem Stromkreis liegen, der einen in Zeitabständen elektrische Impulse liefernden Impulsgeber zur zeitweisen Freigabe des Stromflusses über die Spulen sowie eine Hinriclilung zum Messen einer von den Impulsen und von der Spulcnindiiklivität abhängigen elektrischen Zustandsgrößc dieses Stromkreises aufweist.

In den Zcilintcrvallcn. in denen der Impulsgeber den Stromfluß durch die Spulen des Wandlers sperrt, geben die Wandlcrspulen Wärme an die Umgebung ab. Durch diese verringerte thermische Belastung der Wandlerspulen ergibt sich die Möglichkeit, die Speisespannung des Wandlers im Vergleich zur üblichen Ausführung (mit ständig gespeisten Wandlerspulen zu erhöhen, ohne die zulässige Erwärmung der Spulen zu überschreiten. Diese Erhöhung der Speisespannung führt zu einer Erhöhung der Ausgangsspannung, was eine Erhöhung der Meßgenauigkeit und eine weitgehendere Störungsfreiheit mit sich bringt. Die erfmdungsgcmäße Schaltung zeichnet sich ferner durch einen einfachen Aufbau aus.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dient zunächst folgende mathematische Ableitung (vgl. Abb. I):

Es ist bekannt, daß der Strom /', in einem Stromkreis mit einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R nach dem Anlegen einer konstanten Gleichspannung U_h, beispielsweise durch Schließen eines Schalters S, entsprechend einer Exponentialfunktion gemäß Gleichung (1) ansteigt:

Diese Gleichung bildet die Grundlage Tür die Bestimmung der Induktivität L nach drei möglichen Verfahren:

a)

-R

- e

(D

Hierbei bedeuten LjR = T die Zeitkonstante des fiL-GIiedes, r die seit dem Einschaltmoment ver-Itrichene Zeit und i, den im Zeitpunkt r durch das J?L-Glied fließenden Strom.

Die e-Funktion der Gleichung (1) läßt sich nach Gleichung (2) durch folgende Reihe darstellen:

IO ■ 5

L = U_h ■ R ■ t ■ —.

Bei konstanten Werten von U_b, R und t wird hier der Spitzenwert Ü des Spannungsabfalles gemessen, der während der Impulsdauer am Widerstand R auftritt.

L = -^r^- ■ U.

e '- = 1

z3

ί-R

— t

Bei konstanten Werten von U_h, R und U_k wird die Zeit t_x gemessen, d - bis zum Erreichen des Wertes U_R des am Wiüerstand R auftretenden Spannungsabfalles verstreicht.

^UR

(2)

Ist die wesentliche Voraussetzung erfüllt, daß

T^t. (3)

so kann die Reihe schon nach dem linearen Glied abgebrochen werden, so daß die Beziehung dann lautet:

Setzt man die Gleichung (4) in Gleichung (1) ein, so erhält man

Der nach dem I-.inschalten entstehende Strom i, ist also der Zeil ι proportional und der Induktivität L umgekehrt proportional.

Umgekehrt läßt sich bei Kenntnis des zeitlichen Verlaufes des Kinschaltslromcs i, auf die Größe der Induktivität L schließen. Ist außerdem der Zusammenhang zwischen der Größe der Induktivität L und der Auslenkung des Tastbolzcns eines elektromechanischen Wandlers bekannt, so kann man auf diese Weise Längenmessungen an Prüfkörpern vornehmen.

Den Strom i, kann man aus dem Spannungsabfall U_K, zur Zeit / am Widerstand R des Stromkreises der Λ b b. 1 bestimmen:

Wenn man Gleichung (6) in Gleichung (5) einsetzt, so ergibt sich:

L =

U₁₁-R-I

U₁

Rl

Bei konstanten Werten von £4, R und t wird die Steilheit U_K des am Widerstand R während der Impulsdauer r auftretenden Spannungsanstieges gemessen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Abb. 1 ein für die obige mathematische Ableitung benutztes Schaltbild,

A b b. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des errindungsgemäßen elektronischen Längenmeßgerätes. Abb. 3 eine Schaltung zur Erfassung des Spitzenwertes Ü [gemäß Verfahren a)],

A b b. 4 eine Schaltung zur Ermittlung der Zeitdauer t_x [Verfahren b)],

A b b. 5 eine Schaltung zur Ermittlung der Stcilhcit U_R [Verfahren c)],

A bb. 6. 7 und 9 Diagramme verschiedener Span-(5) nungen.

A b b. 8 ein weiteres Ausrührungsbeispiel des erfindungsgemäßen elektronischen Längenmeßgerätes. Das in A b b. 2 dargestellte elektronische Längenmeßgerät enthält einen elektromechanischen Meßwandler mit den Spulen L₁ und L₂, deren Induktivität durch den mit dem Tastbolzen M verbundenen Ferritkern F beim Abtasten eines Prüfkörpers verso ändert wird. Ferner enthält die Schaltung üie Transistoren T, und T₂, die als Schalte¹" wirken, weiterhin Widerstände R₁ und R₂, an denen die dcii Spulen· strömen proportionalen Spannungsabfälle abgegriffen v\c^rdcn. Schließlich ist noch ein als Taktgebci wirkender astabilcr Multivibrator AM zur impuls mäßigen Steuerung der Transistoren T, und T₂ vor gesehen.

Am gemeinsamen Pol der beiden Spulen liegt di( konstante Gleichspannung 4- U_h, am gemeinsame! Pol der beiden Widerstände R₁, R₂ das Massepoten tial. Zunächst seien die beiden Induktivitäten L₁ und L einander gleich.

Durch die Spannungsimpulse an den Ausgängen Q und Q₂ des astabilcn Multivibrators AM werden di Transistoren T₁ und 7'₂ abwechselnd geöffnet um wieder gesperrt. Die Diagramme α und /»in Fig. (7) /eigen den zeitlichen Verlauf der Spannuiigsimpulse ί

an den Ausgängen Q₁ und Q₂.

In dem Augenblick, in dem T₁ geöffnet wird, fließt von + V_h über L₁, T, und R₁ ein Strom nach Masse. der nach Gleichung (I) von Null an nach einer e-l^;unktion ansteigt. Die impulsdauer I_n wird so gewühlt, daß sie gegenüber der Zeitkonstante T, = L₁₁ ¹R₁ sehr klein ist.

Der Stromanstieg, der als Spannungsabfall V_Kl an der Ki«mme A, gemessen werden kann, ist demgemäß quasi-linear. Da sowohl die Impulsdauer f„ als auch die Spannung U₁, und der Widerstand R, konstante Werte besitzen, ist sowohl der Spitzenwert 0_Kl der Spannung an der Klemme A₁ am Ende des Impulses als auch die Steilheit (/;, nur von der Induktivität L₁ abhängig.

Analog dazu verlaufen die Vorgange in dem von L₂, T₁ und R₁ gebildeten zweiten Stromkreis. Sie werden durch den Spannungsabfall V_n am Widerstand R₁ (Klemme A₁) gemessen. Auch hier sind Steilheit Vt₁ und Spitzenwert 0_Λ1 nur von der Induktivität L₁ abhängig.

Die Diagramme c und d in A b b. 6 geben den Verlauf des Spannungsabfalles U_Ml bzw. V_n2 an den Klemmen A_x bzw. A₁ wieder.

Da sich die Induktivitäten L_x und L₁ bei Verschiebung des Meßbolzens M immer im einander entgegengesetzten Sinne ändern, ist die Differenz der Spitzenspannungen £/„ bzw. der Steilheiten V'_R ein Maß Tür die Auslenkung des Tastbolzens.

A b b. 3 zeigt eine einfache Schaltung für die Messung der Spitzenspannungen 0_K. Dabei werden die K lammen E, und E₄ in A b b. 3 mit den K lemmen A, und A₁ in A b b. 2 verbunden. Ober den Transistor T_} wird der Kondensator C₃ auf den Spitzenwert 0_Kl aufgeladen. Der Transistor T₃ wirkt dabei gleichzeitig als Impedanzwandler und Gleichrichter. Entsprechend wird C₄ auf den Spitzenwert Ü_K1 aufgeladen. Die Differenz der Spitzenspannungen wird von dem Galvanometer G angezeigt.

A b b. 4 zeigt eine einfache Schaltung für die Zeitmessung. Die Schaltung besteht aus einem bistabilen Multivibrator mit den Schaltungselementen Γ<. T_n. R₅ und R₆. der über zwei Zener-Dioden Z₅ und Z₆ und die Klemmen E₅ und E₆ mit den Klemmen A₁ und A₁ von A b b. 2 verbunden ist.

Die Ansprechschwelle dieser Schaltung, die sich aus den Ansprechschwellen des Multivibrators und der Zener-Diode zusammensetzt, ist mit V₀ bezeichnet, überschreitet die Spannung an den Klemmen .4, und A₂ in A b b. 2 den Wert U₀ (Diagramme c und d in Abb. 6). so kippt der Multivibrator aus der bestehenden in die andere Arbeitslage. Dabei nehmen die Spannungen bei Q₅ und Q₆ (A b b. 4) für den Fall, daß L₁ = L₁. den durch die Diagramme e und / (A b b. 6) gezeigten zeitabhängigen Verlauf an.

In A b b. 7 ist der entsprechende Vorgang für den Fall dargestellt, daß L₁ > L₁. Die Diagramme ά und b' veranschaulichen für diesen Fall den zeitabhängigen Spannungverlauf für V_Rl bzw. V_R1 an den Klemmen A₁ bzw. A₂: die Diagramme c und d' geben die unter diesen Umständen an Q< bzw. Q_h (A b b. 4) auftretende Spannung an.

Wie hieraus hervorgeht, ist die Impulslänge bei Q₅ und Q„ abhängig vom Zeitpunkt, zu dem der Strom durch die Spulen den meßbaren Schwellwert V_n überschritten hat.

Λ b b. 5 zeigt eine einfache Schaltung zur Differentiation der Spannungen an A₁ und A₁ (Abb. 2). Die Differentiation erfolgt über je ein KC-Glied.

ίο An den Klemmen Q₁ und Qg entstehen Rechtedspannungen. deren Amplitude von der Steilheit des Stromanstieges und damit auch von der Auslenkung des Tastbolzens abhängig ist. Selbstverständlich können auch andere Differentiationschaltungen eingesetzt wer·

den.

Wie eingangs dargelegt wurde, ist die Ausgangsspannung herkömmlicher Längenmeügeräte begrenzt, da die Speisespannung zur Vermeidung einer zu starken Erwärmung nicht beliebig erhöht werden

kann. Die Erfindung gibt nun die Möglichkeit, die Speisespannung V_b des Tasters dadurch erheblich zu vergrößern, daß zwar auf die Transistoren T₁ und T₁ Impulse gleicher Länge J₀ wie bisher gegeben, die Zeitabstände zwischen den Impulsen jedoch um

ein Vielfaches vergrößert werden.

Eine Schaltung zur Durchführung dieser Messung ist in A b b. 8 dargestellt.

Diese Schaltung ist aus der Anordnung gemäß A b b. 2 entwickelt An die Ausgänge Q₁' und Qi des

astabilen Multivibrators AM' ist je ein monostabiler Multivibrator OS,- bzw. OS₁ angeschlossen; deren Ausgänge Q₁" und Q₁ sind mit den Transistoren T₁ und T₁ verbunden. Die Impulsdauer t, des astabilen Multivibrators AM' ist sehr viel größer als die Impuls-

dauer I₀ der monostabilen Multivibratoren OS, und

OS₁. Die beiden monoMabilen Multivibratoren sind

so geschaltet, daß sie nach einer Zeit I_n wieder in ihre Ruhelage kippen.

Auf diese Weise werden die Transistoren T₁' und T₂'

in Abständen von 2r, jeweils Tür die Zeit 4, geöffnet.

Der Spannungsverlauf an den verschiedenen Punkten

der Schaltungsanordnung ist in Abb. 9 dargestellt Die Diagramme a" und h " zeigen den zeitlichen

Verlauf der Spannungsimpulse an den Ausgängen Q₁'

und Q₁ des astabilen Multivibrators AM ; die Dia gramme c' und d' zeigen die Spannungsimpulse an den Ausgängen Q₁" und Q₂" der beiden monostabilen Multivibratoren 05, und OS₂. Die Diagramme c" und /" geben die Spannungen an den Klemmen A\ bzw. Aj wieder.

Die Auswertung dieser Spannungen kann in gleicher

Weise, wie oben beschrieben, durchgeführt werden.

Da die Zeit I₀. in der durch die Spulen ein Strom

fließt, gegenüber der Pausenzeit r, sehr kurz ist.

kann die Speisespannung V_h an den Spulen L₁. L_n sehr viel größer gemacht werden als bisher: dadurch können an den Klemmen A[ und Aj ebenfalls sehr viel größere Signalspannungen als bisher abgenommen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Längenmeßgerät mit einem elektromechanischen Wandler, dessen beim Abtasten des Prüfkörpers aus seiner Ausgangslage verstellter Tastbolzen durch seine Stellung die Induktivität wenigstens einer Spule des Wandlers bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L₁, L₂) des Wandlers in einem Stromkreis liegen, der einen in Zeitabständen elektrische Impulse liefernden Impulsgebei (AM) zur zeitweisen Freigabe des Stromflusses über die Spulen (L₁ bzw. L₂) sowie eine Einrichtung zum Messen einer von den Impulsen und von der Spuleninduktivität abhängigen elektrischen Zustandsgu ße dieses Stromkreises aufweist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede der Spulen (L, bzw. L₂) des Wandlers in Reihe mit einem ohmschen Widerstand (R₁ bzw. R₁) geschaltet ist. an dessen Klemmen eine Einrichtung zur Messung des an diesem Widerstand auftretenden Spannungsabfalles angeschlossen ist.

3. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (L₁ bzw. L,) die Widerstände [R₁ bzw. R₂) sowie von einem Taktgeber (ΛΛ/) gesteuerte elektrische Schalter (T₁ bzw. T₂) in Reihe ge: .haltet an eine Glcichspannungsquelle (L^-,,) angeschlossen sind. ^o

4. Meßgerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (L₁. L₂) eines nach dein DilTcrentialprinzip arbeitenden elektromechanischen Wandlers über die elektrischen Schalter (T,. T₂) abwechselnd von einer gemeinsamen Glcichspannungsquelle (L),) gespeist weiden.

5. Meßgerät nach den Ansprüchen I bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die durch Transistoren gebildeten elektrischen Schalter (T',. T₂) der beiden von einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle gespeisten Spulen (L₁. L₂) durch einen .ils astahilcr Multivibrator ausgebildeten, gemeinsamen Taktgeber (AM)gesteuert sind.

6. Meßgerät nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen des in Reihe mit der Spule (L₁ bzw. L₂) geschalteten Widerstandes (R₁ bzw. R₁) eine Einrichtung zur Messung des während einer konstanten Impulsdauer (Π auftretenden Spitzenwertes (LJ) des Spannungsablalls am Widerstand (R, bzw. R₂) angeschlossen ist.

7. Meßgerät nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen des in Reihe mil der Spule (L₁ bzw. L₁) geschalteten Widerstandes (R₁ bzw. R₂) eine Einrichtung zur Messung der Zeit (f,) angeschlossen ist. die bis zum Erreichen eines vorgegebenen Spannungswertes (U_R) des am Widerstand (R₁ bzw. R₂) auftretenden Spannungsabfalls verstreicht.

8. Meßgerät nach den Ansprüchen I und 2. dadurch gekennzeichnet, daß an die Klemmen des in Reihe mit der Spule (L, bzw. L₂) geschalteten Widerstandes (R_t bzw. R₂) eine Einrichtung zur Messjng der Steilheit (Ur) des am Widerstand (R₁ bzw. R₂) während der Impulsdauer (1) auftretenden Spannungsanstieges angeschlossen ist.

9. Meßgerät nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber ( '.M') mit den beidei elektrischen Schaltern (T₁' bzw. T₂') über je einei monostabilen Multivibrator (OS, bzw. OS₂) ver bunden ist, deren Impulsdauer wesentlich kleine a's die des Taktgebers (AM') ist.