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Verfahren zur Umwandlung einer physikalischen Größe
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und Winkelmeßumformer zur Durchführung des Verfahrens Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung jeweils nach der
Gattung des ersten Verfahrens- bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs. Es ist bekannt,
mit Hilfe eines sogenannten Ladungsverstärkers mit nachgeschaltetem Gleichrichter
die Größe und die Änderung einer Kapazität zu bestimmen, wobei allerdings nicht
notwendigerweise eine vollständige Kapazitätsmessung mit numerischer Ausgabe durchgeführt
wird, sondern die durch die Kapazität bzw. durch deren Änderung zu erfassende physikalische
Größe stetig als proportionaler Ausgangsgleichstrom abgebildet wird. Die physikalische
Größe kann beispielsweise ein Winkel, ein Weg o. dgl. sein und bewirkt in ihrer
Veränderung
eine entsprechende Änderung der Meßkapazität.
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Das Grundprinzip eines solchen Ladungsverstärkers ist in seinem Schaltungsaufbau
so getroffen, daß dem Eingang eines geeigneten Verstärkers, beispielsweise Operationsverstärkers,
die Meßkapazität vorgeschaltet wird, der dann eine Sinusspannung mit konstanter
Amplitude zugeführt wird. Der Aufbau der Schaltung vervollständigt sich durch einen
weiteren Kondensator im Rückführkreis des Verstärkers, wohei sich dann die Größe
der Meßkapazität nach der folgenden Formel Cx = U2 . Cr/Ul bestimmt. Die umzuformende
physikalische Größe ist der Kapazität Cx zugeordnet und bei konstanter Sinus-Speisespannung
U 1 und konstanter Rückkopplungskapazität Cr ist die Meßkapazität bzw. deren Änderung
proportional zur Ausgangsspannung U2 des Ladungsverstärkers bzw. dessen Arìderung.
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Relativ aufwendig bei einem solchen Ladungsverstärker ist die Erzeugung
einer genauen Sinusspannung als Eingangsmeßspannung sowie die phasengerechte Gleichrichtung
der Verstärkerausgangsspannung U2. Ferner werden zur Sicherstellung von hinreichend
präzisen Meßergebnissen Schaltungselemente mit geringer Zeitverzögerung benötigt.
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Es besteht daher Bedarf nach einem nach dem Prinzip des Ladungsverstärkers
arbeitenden Winkelmeßumformer, der eine hohe Meßgenauigkeit auch dann sicherstellt,
wenn mit kostengünstigen
Schaltungselementen bei insgesamt vereinfachtem
Aufbau gearbeitet wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Umwandlung einer physikalischen Größe (Winkel, Weg) in einen proportionalen Ausgangsgleichstrom
durch Messung einer Kapazität und ihrer Änderung sowie einen Winkelmeßumformer zur
Durchführung des Verfahrens nach dem Prinzip des. Ladungsverstärkers dahingehend
zu verbessern, daß auch bei Einsatz kostengünstiger Schaltungselemente sehr genaue
Meßergebnisse erzielt werden, auch dann, wenn der Aufwand bezüglich der phasengerechten
Gleichrichtung gering gehalten wird.
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Vorteile der Erfindung Die Erfindung löst diese Aufgabe niit den kennzeichnenden
Merkmalen des Ilauptanspruchs bzw. des ersten Vorrichtungsanspruchs und hat gegenüber
den bekannten Winkelmeßumformern mit Ladungsverstärker den Vorteil, daß trotz Verzicht
auf die bisher unerläßliche Erzeugung von sehr genauen Eingangs-Sinusspannungen
Störungen oder Meßfehler aufgrund von Zeitverzögerungen der Elemente oder des Einschwingverhaltens
nicht in das Meßergebnis eingehen. Obwohl bei einer Speisung des Ladungsverstärkers
mit Rechteckspannungen zur einwandfreien Übertragung der Schaltsprünge die verwendeten
Schaltungselemente sowie der Verstärker eigentlich so ausgelegt sein müßten, daß
auch die Übertragung der in dens Rechteck signal enthaltendel höheren harmonischen
Schwingungen,
die ein Mehrfaches der Grundfrequenz darstellell, möglich ist, macht die spezielle
Art der bei der Erfindung vorgesehenen Gleichrichtung solche Forderungen entbehrlich.
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Hierdurch ergibt sich einerseits der Vorteil, mit in einfacher Weise
erzeugten Rechteckspannungen am Eingang des Ladungsverstärkers arbeiten zu können
- solche Rechteckspannungen lassen sich beispielsweise mit C-MOS-Schaltkreisen kostengünstig
erzeugen; andererseits aber ein Ausgangsmeßergebnis erzielt wird, welches ausschließlich
eine Funktion der Meßkapazität ist und Störungseinflüsse, die durch die Vorder-
und Rückflanken des Speise- und Rechtecksignals entstehen können, nicht enthält.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in schematisierter Darstellung die Schaltung eines
erfindungs gemäßen Ausführungs beispiels und Fig. 2 Impulsdiagramme von Spannungsverläufen
an verschiedenen Punkten der Schaltung bzw. Schalterstellungen bei der phasengerechten
Gleichrichtung.
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Beschreibung der Ausffihrungsbeispiele Der Grundgedanke vorliegender
Erfindung besteht darin, bei einem l,adungsverstärker mit Gleichrichter, etwa für
die Winkelmeßumformung, die Eingangrs -Speise spannung als Rechteckspannung auszubilden
und andererseits gleichzeitig die pliasengerechte Gleichrichtung so durchzuführen,
daß die Aufschaltung der am Ausgang des l,adungsverstärkers sich bildenden Spannung
nur während eines Zeitraums erfolgt, der einerseits kürzer als die jeweilige Impulsdauer
des Rechtecksignals ist und andererseits mindestens zur Vorcier-, vorzugsweise auch
zur Rückflanke dieses Signals einen vorgegebenen Abstand einhält. Die Auswertung
des Ausgangssignals des Ladungsverstärkers erfolgt daher erst dann, wenn dieses
auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist.
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In Fig. 1 ist die Meßkapazität, deren Größe oder Veränderung durch
Umformung in einen proportionalen Ausgangsleichstrom gemessen werden soll, mit Cx
bezeichnet; durch den Pfeil A ist die Einwirkung der im Endeffekt zu bestirnmenden
bzw. abzubildenden physikalischen Größe angedeutet, die ein Drehwinkel, ein Weg
o. dgl. sein kann. Die Meßkapazität Cx ändert sich der Einwirkung der physikalischen
Größe entsprechend. Die Meßkapazität Cx liegt am Eingang eines Verstärkers V, der
über einen weiteren Kondensator Cr rückgekoppelt ist, wodurch sich entsprechend
der weiter vorn schon angegebenen Formel eine Proportionalität zwischen der Ausgangsspannung
U2 und der Meßkapazität Cx ergibt, wenn (r sowie die Eingangs-Speisespannung U1
konstant sind. Die
Eingangs-Speisespannung U1 ist eine Rechteckspannung:
zu ihrer Erzeugung ist ein Taktgeneratorblock TG vorgesehen, dessen Rechteckspannungssignal
auch einem nachgeschalteten Verzöge-1.ungs- und Verkürzungsblock VK zugeführt wird.
hierauf wird weiter unten noch eingegangen.
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Das Ausgangssignal U2 des Verstärkers V gelangt über einen Kondensator
C1 auf den phasenrichtigen Gleichrichter G, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
im Längs zweig einen Schalter S2 und einen Schalter 51 iiio Querzweig gegen Masse
aufweist. Schließlich ist zur Speicherung des jeweils letzten Spannung swertes bei
eingeschaltetem Scllalter S2 ein Kondensator C2 vorgesehen; da das Schaltungsbeispiel
der Fig. 1 das Grundprinzip der Erfinduiig lediglich in stark schematisierter Form
darstellt, kann anstelle des Kondensators C2 insgesamt auch eine sogenannte "Sample
and Hold"-Schaltung vorgesehen sein, d. h. mit einem zusätzlichen, dem beibehaltenen
Kondensator C2 nachgeschalteten Operationsverstärkers in entsprechender Be schaltung.
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Aus den Impulsdiagrammen der Fig. 2 erkennt man zunächst die Phasenumkehr
der Verstärkerausgangsspannung U2 mit Bezug auf die Rechteck-Eingangs-Speiesespannung
U1 und die zeitlich so weit verkürzerten und entsprechend positionierten Einschaltdauern
der Schalter 51 und S2. Da, wie ersichtlich, die Schalter S1 und S2 nur während
der Zeitdauer jeweils eingeschaltet werden, während der aus Ausgangssignal U2 des
Ladungsverstärkers auf einen konstanten Wert eingeschwungen ist, haben Verzögerungen
ino
Ladungsverstärker sowie in den Schaltern keinen Einfluß auf die Ausgangs spannung
U3. Man erkennt, daß daher auch stark veränderte Auf- und Abflanken etwa des Ausgangssignals
U2 keinen Einfluß auf das im Kurvenverlauf der Fig. 2 bei e) dargestellte Ausgangssignal
haben, denn die Schalter fragen die Ausgangsspannung 112 immer nur dann ab, wenn
diese einwandfrei auf das Plateau des Rechteckimpulses eingeschwungen ist. Da die
Abfragedauern der Schalter S2 und S1. bis zu einem gegebenen Wert verkleinert werden
können, spielen auch eventuell auftretende Spannungsänderungen während der Impulsdauern
des Rechtecksignals keine Rolle; die Einschaltdauern der Schalter SY und 51 sind
stets zeitlich an vorgegebener Stelle in der llechtecliirllpulsfolge des Ausgangssignals
U2 positioniert. hierzu ist der Schaltungsblock VK vorgesehen, der, beispielsweise
mittels eines einfachen RC-Gliedes zunächst die Weiterleitung der Vorder- bzw. Rückflanke
des Rechtecksignais um eine vorgegebene Zeitdauer verzögert, so daß ein nacloge
schaltetes Schwellenglied, welches beispielsweise ein Schmitt-Trigger im bevorzugten
Fall sein kann, erst nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer anspricht, während
welcher Verzögerungen und Einschwingverhalten bezüglich der Rechteckspannung abgeklungen
sind. In gleicher Weise kann das dem RC-Glied nachgeschaltete Schwellenglied (Schmitt-Trigger)
in seiner Ausbildung als Monoflop so geschaltet sein, daß bei konstanter und bekannter
Frequenz der Rechteckspannung das Rückkrippen in die Ausgangsposition zeitlich früher
liegt als die Beendigung der Impulsdauer jeweils der Rechteckschwingung. Steuert
man mit entsprechenden Ausgangssignalen dieser Verzögerungs- und Verkürzungsschaltung
die
Schalter S1 und S2 an, die vorzugsweise elektrische Schalter sind, dann ergeben
sich die Impulsverhältnisse, wie sie in dem Impulsdiagramm der Fig. 2 dargestellt
sind Durch den Schalter S1 wird die zwischengeschaltete Kapazität C1 jeweils bei
niedergehender Verstärkerungsausgangsspannung U2 entladen.
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