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Vorrichtung zur Fernübertragung von Meßwerten u. dgl. mittels lagemodulierter
Impulse Das Patent grr 594 betrifft die Übertragung der Augenblicksstellung eines
beweglichen Organs (im Hauptpatent bewegliches Teil genannt), das sich längs einer
gegebenen Bahn bewegt, und zeichnet sich durch die Verwendung elektrischer Impulse
mit verzögerter Fortpflanzung aus, die diese Bahn überstreichen und die man wieder
abnimmt, ohne daß sich im Betrieb eine Reibung des beweglichen Organs bemerkbar
macht. Der verzögerte Impuls wird. mittels einer Verzögerungsleitung erzeugt, der
ein als Ursprungsimpuls oder -signal bezeichneter, periodisch wiederkehrender Impuls
aufgedrückt wird, und der Lageimpuls (auch Positionsimpuls genannt) stellt in bezug
auf den Ursprungsimpuls eine- die Augenblicksstellung des beweglichen Organs kennzeichnende
Verzögerung dar.
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Im Hauptpatent ist bereits eine einen Generator bildende Vorrichtung
beschrieben, mit der sich diese Bedingungen verwirklichen lassen und die ein vorzugsweise
kapazitives Kopplungsmittel enthält, das die Leitung überstreicht und dauernd den
Eingangskreis mit dem Ausgangskreis über einen Teilabschnitt der Verzögerungsleitung
verbindet, der sich mit der Stellung des Kopplungsmittels ändert.
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In den beispielsweise beschriebenen Ausführungsformen, bildet dieses
Kopplungsmittel eine Kapazität unmittelbar mit dem die verteilte Selbstinduktivität
der
Leitung darstellenden Leiter und überstreicht hierbei die Leitung unmittelbar, die
in bezug auf die im Betrieb durchlaufene Bahn eine möglichst symmetrische Gestalt
hat.
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Die Erfindung hat eine andere Ausführungsform des Generators zum Gegenstand.
Gemäß der Erfindung werden nämlich das bewegliche Kopplungsmittel und die Leitung
dadurch räumlich voneinander getrennt, daß die Verzögerungsleitung mehrere Anschlußpunkte
hat, die mit festen Kopplungsbelegen verbunden sind, die längs der Bahn des beweglichen
Organs verteilt sind und von einem, von diesem Organ angetriebenen beweglichen Beleg
überstrichen werden, so daß der bewegliche Beleg sich in kapazitiver Kopplung mit
den festen Belegen befindet.
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Die Kopplung entsteht hierbei zwischen dem von einem beliebigen beweglichen
Steuerorgan, dessen Stellung übertragen werden soll, angetriebenen beweglichen Beleg
und einem oder zwei festen, ständig mit der Verzögerungsleitung verbundenen Belegen,
denen der bewegliche Beleg jeweils gerade gegenübersteht. Die Verzögerungsleitung
kann auf diese Weise von dem beweglichen Teil des Generators entfernt angeordnet
werden und eine von seiner Bahn möglichst unabhängige Gestalt erhalten. Sie kann
in jeder gewünschten Form im Hinblick darauf ausgestaltet werden, wie die Geschwindigkeit
der Fortpflanzung sowie das dieser zugrunde liegende Gesetz am besten festgelegt
wird.
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Der bewegliche Beleg erhält eine dem festen Beleg entsprechende Länge
und ein Profil oder eine Gestalt, die das Abstimmgesetz des Generators verbessert.
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Im Fall der Anwendung der Erfindung bei Meßinstrumenten werden die
festen Belege und der mit ihnen eine konstruktive Einheit bildende bewegliche Beleg
in dem Gehäuse des Instruments untergebracht, dessen bewegliches Glied den die Überstreichung
ausführenden Beleg antreibt und der durch eine Mehrzahl von Verbindungen mit den
Anschlußpunkten auf der Verzögerungsleitung verbunden ist.
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In bestimmten Fällen kann eine einzige gemeinsame Verzögerungsleitung
mit verzögerten Impulsen eine Mehrzahl von Meßinstrumenten oder beliebigen anderen
Lagemodulatoren speisen, deren feste Belege parallel mit dieser Leitung verbunden
sind.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung dient die Zeichnung; in der
Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In ihr zeigt Fig. z das elektrische Schaltbild
des erfindungsgemäßen Generators lagemodulierter Impulse im ganzen und seine Anwendung
auf die Übertragung der Stellung eines Meßinstruments mittels dieser Impulse, Fig.2
in Vergrößerung eine Zwischenstellung des beweglichen Kopplungsbeleges, Fig. 3 in
Form eines Diagramms die Bildung des Positionssignals bei dieser Stellung des Beleges,
Fig. q, den charakteristischen Verlauf- der Wirkungsweise des Generators mit den
Verzögerungszeiten in Abhängigkeit von der Stellung des beweglichen Beleges, Figg.
5 eine vorteilhafte Ausgestaltung des festen und der beweglichen Belege des Generators
als einer Einheit, insbesondere bei einem Meßinstrument.
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In Fig. z wird die Verzögerungsleitung von einem Leiter 5, der in
Form einer Wendel ihre verteilte Selbstinduktivität bildet, und von einem Leiter
7 gebildet, der mit der Wendel in kapazitiver Kopplung steht und die verteilte Kapazität
bildet. Die Selbstinduktivitätkann insbesondere aus einer großen Zahl von koaxialen
hintereinandergeschalteten Spulen bestehen, die vorzugsweise auf dem gleichen Träger
so dicht wie nur möglich nebeneinander aufgereiht sind. Ihre Selbstindulktivitäten
sind mit den Ziffern 5', 5", 5"' usw. bezeichnet. Der Leiter 7 kann insbesondere
die Gestalt einer metallischen Schicht haben, die auf der äußeren oder inneren Oberfläche
der Spulen angebracht und von ihnen durch eine dünne Isolierschicht von hoher Dielektrizitätskonstante
isoliert ist. Jede beliebige andere Konstruktion der Verzögerungsleitung, die die
gewünschten Fortpflanzungszeiten und Fortpflanzungsgesetze verwirklicht, läßt sich
in Betracht ziehen, wenn man sich von der gegenwärtig schon bekannten Technik solcher
Leitungen leiten läßt. Die beiden Leiter sind durch den angepaßten Widerstand ro
verbunden, während das andere Ende des Leiters 7 an Erde liegt. Die Leitung wird
mit periodisch wiederkehrenden Impulsen gespeist, insbesondere mit fester periodischer
Frequenz durch den Eingangskreis E, der zwischen der mit der Leitung verbundenen
Klemme 8 und der an Erde gelegten Klemme g liegt. Dieser Kreis E kann einen örtlichen
Generator für kurze Impulse bilden und von beliebiger bekannter Art .sein; er 'kann
aber auch der Empfangskreis für Speisesignale sein, die von einem entfernten Posten
herrühren, dessen Stellung wiedergegeben werden soll.
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Das Modulatororgan, dessen Stellung übertragen werden soll, wird durch
den vom Motor M angetriebenen Arm z dargestellt. Dieser Arm kann das bewegliche
Glied eines Meßinstruments G sein, bei dem dann z den Zeiger darstellt. Dieser trägt
mittels eines isolierenden Querstückes b einen leitenden Schaft a, der seinerseits
an seinen beiden Enden einen Beleg 2' bzw. 2" trägt. Der Beleg 2' befindet sich
in elektrostatischer Kopplung mit den festen Belegen KI, K2; K3, K4 usw., die bogenförmig
längs seiner Bahn verteilt sind, so daß er sie überstreichen kann. Der Beleg 2"
.ist mit einer festen langges,treckten Elektrode 3 gekoppelt und überstreicht sie
im Zug sesner Bewegung. Die beiden Belege 2 bilden zwischen dem Satz der festen
Belegungen und der Elektrode 3 eine kapazitive Verbindung, die dauernd über der
ganzen im Betrieb durchlaufenen Bahn aufrechterhalten bleibt. Die festen Belege
K sind durch Drähte fi, f2, f3 USW-mit den entsprechenden Anschlußpunkten auf den
hintereinanderfolgenden Abschnitten der Verzögerungsleitung verbunden.
Im
Betriebszustand durchläuft der von dem Organ E gelieferte Impuls die Verzögerungsleitung
und erscheint mit zunehmenden Verzögerungen an den Belegen K. Er wird durch den
beweglichen Beleg 2' abgenommen, tritt zu dem Beleg 2" über und erscheint dann durch
Vermittlung der Elektrode 3 im Ausgangskreiis iq:, wo er in bezug auf den
Speiseimpuls eine bestimmte Verzögerung darstellt, die durch den Teilabschnitt der
Verzögerungsleitung bestimmt wird, der gerade in Reihe in den Stromkreis eingeschaltet
und durdh die Stellung des beweglichen Kopplers festgelegt ist. Im dargestellten
Fall steht das Kopplungselement dem Beleg K3 gegenüber, und der Betriebsstromkreis
enthält in Reihe die Impulsquelle E, die Abschnitte 5' und 5" der Verzögerungsleitung,
die Kopplungen K,-:2' und 2"-3, die Elektrode 3 und die Ausgangsklemme 14, die durch
eine Kapazität 17 an Erde gelegt ist. Diese Kapazität kann von der Eingangskapazität
einer Verstärkerröhre und der verteilten Kapazität der Verbindungsleitungen gebildet
werden. Sie ist mit einem gewissen, durch die Schwundkreise bedingten erhöhten Widerstand
verknüpft, wobei die ganze Anordnung einen Stromkreis mit niedriger Zeitkonstante
bildet. Der als Positionsimpuls bezeichnete abgenommene Impuls P ist auf diese Weise
in bezug auf den Speiseimpuls um ein Zeitintervall verschoben, das die Stellung
des Instrumentenzeigers kennzeichnet.
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Um dieses Zeitintervall elektrisch messen und es insbesondere fernübertragen
zu können, kann man diesen Positionsimpuls P und den von E gelieferten Speiseimpuls
auf zwei getrennten Wegen übertragen. Im Fall der Übertragung durch einen einzigen
Kanal und im Hinblick auf die Möglichkeit der Unterscheidung dieser beiden Impulse
besteht eine vereinfachte Lösung darin, den Speiseimpuls in einen Ursprungsimpuls
von charakteristischer Gestalt durch eine beliebige Zusatzvorrichtung O umzuwandeln
und diese Zusatzvorrichtung unmittelbar an die Klemme 2o der Elektrode 3 anzuschließen.
Infolgedessen kann an der Ausgangsklemme 14 eine Folge von Ursprungsimpulsen O und
Positionsimpulsen P abgenommen werden, die durch ein Zeitintervall getrennt sind,
das die Stellung des Kopplungsorgans und damit die Anzeige des Instruments kennzeichnet.
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Der Durchlaufsinn des Positionsimpulses im Generator kann wohlgemerkt
auch umgekehrt werden, und die Speisequelle E kann unmittelbar mit der Klemme 14
verbunden werden, während der verzögerte Impuls an der Klemme ä der Leitung abgenommen
werden kann.
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In Fig. 3 ist die Gestalt des von dem Generator gelieferten Positionssignals
durch die Kurve P in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. P1 entspricht dem abgenommenen
Signal für die Stellung des beweglichen Beleges gegenüber dem festen Beleg K1. Wenn
der bewegliche Beleg sich gegenüber dem Beleg K2 befindet, erscheint das Signal
P2 usw. Die beiden Signale sind um ein Zeitintervall t ver-,choben, das durch die
Kapazität und Selbstinduktivität jedes Abschnittes der Verzögerungsleitung zwischen
zwei äufeinänderfolgeriden Anschlußpunkten bestimmt wird. Wenn man diese Verschiebungen
t in Abhängigkeit von der Stellung L
des Beleges aufträgt, erhält man
eine Reihe von Punkten der Abstimmcharakteristik des Generators, die alle längs
einer geraden Linie verteilt sind, wie Fig. 4 zeigt, in der die Gesamtverzögerung
in bezug auf das Ursprungssignal die Ordinate bildet. Wenn die Belegplatte 2' eine
symmetrische Mittelstellung zwischen den Belegen K einnimmt, wie in Fig. 2 dargestellt
ist, befindet sie sich in .symmetrischer Kopplung mit ihnen und überträgt zwei Signale
V1 und T12, die von den Induktionen zwischen den Hälften der Belege herrühren, wobei
jedes Signal die Halbamplitude der Signale P1 und P2 aufweist. Die vektorielle Summe
dieser Signale V1 und T12 ergibt das Positionssignal Pi, das dieser Zwischenstellung
entspricht und um 2 verschoben ist. In Auswirkung der Symmetrie liegen die diesen
Verschiebungen entsprechenden Zwischenpunkte in gleicher Weise verteilt auf der
geraden Linie der Abstimmcharakteristik der Fig. 4. Im Endergebnis geht die Abstimmkurve
durch alle diese Punkte, wobei sie zwischen ihnen einer geringen kontinuierlichen
Abweichung von sinusförmigem Verlauf unterworfen ist. Die Abstimmung isst praktisch
progressiv und führt nur zu einem geringen Fehler. Er kann praktisch auf Null heruntergedrückt
und die Messung -sehr genau gemacht werden, wenn man dem beweglichen Beleg 2' ein
geeignetes Profil gibt, mit dem sich die Amplituden der durch die beiden festen
Belege induzierten Ströme gegenseitig ausgleichen lassen, insbesondere wenn man
ein elliptisches Profil, das in Richtung der Überstreichung mit seinen Enden spitz
ausläuft, oder ein rautenförmiges Profil wählt.
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In Fig. 5 werden die festen Belege K1, K2 USW.
von einem
aus Isolierstoff bestehenden Block S getragen, der gekrümmt ist und sich der Bahn
des beweglichen Beleges 2' anschmiegt, der sich an den Elektroden K dicht über sie
hinweglaufend vorbeibewegt. Diese Elektroden können ohne Schwierigkeiten von einem
metallischen Überzug gebildet werden, der auf dem Block S durch Aufstäuben, Aufstreichen
oder in beliebiger anderer Weise erzeugt wird. Der Beleg 2" läuft im Betrieb an
der gekrümmten Elektrode 3 entlang. Sie wie auch der Block S bilden Teile eines
Meßinstruments und können im Innern seines Gehäuses auf beliebige, nicht dargestellte
Weise befestigt werden. Als Steuerorgan wirkt der Zeiger i des Instruments, der
über die Skala B auf der Stirnseite des Blockes S hinwegstreicht. Diese ganze Anordnung
ist in einem gewissen Abstand von( der Verzögerungsleitung angeordnet und mit ihr
durch die Drähte f, nämlich f1, f2 USW.' verbunden, die durch in dem Block
vorgesehene Löcher hindurchtreten.
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Dieselbe Verzögerungsleitung kann in gleicher Weise mit einer oder
mehreren übereinstimmenden Vorrichtungen verbunden sein, die zu anderen Meßinstrumenten
gehören, wobei sie parallel mit der gemeinsamen Verzögerungsleitung verbunden
sind
und durch eine gemeinsame Quelle-periodischer Impulse gespeist werden.