DE3018496A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung eines winkels - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung eines winkelsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und. eine Vorrichtung
zur Messung eines Winkels gemäß, den Oberbegriffen der
Ansprüche 1 bzw. 28.
Der Winkel, den zwei um eine Drehachse gegeneinander
verdrehbare Körper miteinander einschliessen, ist zunächst nicht eindeutig definiert. Man kann aber davon ausgehen,
daß sich in jedem konkreten Fall, in dem ein solcher Winkel gemessen werden soll, zwei von der gemeinsamen
Drehachse ausgehende und jeweils starr mit dem einen bzw. dem anderen Körper verbundene Radialstrahlen
festlegen lassen, deren relative Winkellage fortlaufend
überwacht und gemessen werden soll. Je nach Art des verwendeten Winkelmeßverfahrens bzw. der verwendeten
Winkelmeßvorrichtung sind diese beiden Radialstrahlen dann durch die Positionierung von Meßfühlern bzw.
Referenzmarken eindeutig bestimmt.
Bekannte Verfahren der eingangs beschriebenen Art (z.B.
DE-OS 25 01 373; DE-OS 26 49 898, DE-AS 22 37 138) haben
alle gemeinsam, daß bei ihnen ein als flache Kreisscheibe
ausgebildeter Markierungsträger starr mit dem einen der beiden Körper so verbunden ist, daß die gemeinsame Drehachse
durch den Mittelpunkt der sich mit dem Körper mitdrehnden Scheibe verläuft, während an dem anderen der
beiden Körper ein diesen Markierungsträger abtastender Meßfühler starr befestigt ist. Bei diesen Anordnungen
wird beispielsweise der eine der beiden oben erwähnten
Radialstrahlen durch eine auf dem Markierungsträger angebrachte und durch eine besondere Formgebung von den
anderen Markierungen
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unterscheidbare "Null-Markierung" definiert, während der zweite Radialstrahl durch den die Markierungen abtastenden
Meßfühler festgelegt ist.
strahlen Um den von diesen beiden Radial/bezüglich der Drehachse
eingeschlossenen Winkel mit hohem Auflösungsvermögen messen zu können,-ist auf der den Markierungsträger bildenden
Scheibe neben der Null-Markierung eine Vielzahl von
in Drehrichtung voneinander beabstandeten Markierungen in Form von radial verlaufenden Strichen angebracht, die
beispielsweise eine andere Lichtdurchlässigkeit als die sie umgebenden Bereiche der Markierungsscheibe besitzen,
so daß der einen elektro-optischen Sensor umfassende
Meßfühler immer dann ein elektrisches Signal abgibt, wenn
die Helligkeit eines auf den Sensor auffallenden, von
einer auf der anderen Seite der Scheibe angeordneten .Lichtquelle
ausgehenden Lichtbündels durch das Vorbeilaufen eines solchen Markierungsstriches geändert wird. Verdreht
sich also der eine der; beiden Körper gegen den anderen,
so wird eine Folge von impulsförmigen elektrischen Signalen
erzeugt, durch deren Auswertung eine Information über ,.'".die nach Beendigung der Drehbewegung von den beiden
Körpern zueinander eingenommene Winkelstellung gewonnen werden kann.
Die Meßgenauigkeit dieser bekannten Verfahren wird in entscheidendem Maße von der Präzision bestimmt, mit der
die Skalenstriche auf dem Markierungsträger angeordnet sind, wobei innerhalb des Pauschalbegriffs "Präzision" folgende
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Einzelfaktoren von besonderer Bedeutung sind: Die einzelnen Skalenstriche müssen in Drehrichtung möglichst
schmal sein und zueinander möglichst genau parallel verlaufende
Begrenzungskanten aufweisen; außerdem müssen sie möglichst genau radial verlaufen und untereinander möglichst
identisch sein. Weiterhin müssen die Winkelabstände der
Skalenstriche, d.h. die von den Skalenstrichen bezüglich der Drehachse miteinander eingeschlossenen Winkel mit ei·-
nem Höchstmaß an Genauigkeit übereinstimmen. Da es nicht
genügt, wenn der bei den bekannten Verfahren zur Verwendung kommende Markierungsträger diese Eigenschaften
nur bei oder unmittelbar nach seiner Fertigstellung aufweist,
sind darüberhinaus sehr hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und insbesondere an die Temperaturstabilität
des zur Herstellung eines solchen Markierungsträgers verwendeten Materials zu stellen.
Nach dem Stand der Technik wird daher im allgemeinen so vorgegangen,
daß als Markierungsträger spezielle Glasscheiben ver-rwendet werden, in die mit sehr aufwendigen und hohe Kosten
verursachenden Verfahren die erforderliche Anzahl von
Markierungen in Form sehr genau positionierter und äußerst schmaler Skalenstriche beispielsweise eingeätzt wird. Dabei
ist typischerweise die Strichdicke etwa gleich dem Strichabstand und liegt häufig in einer Größenordnung von ca.
10 Ai. Daraus ergibt sich das weitere Problem eines sehr
ungünstigen Signal-Rausch—Verhältnisses und es muß ein
erheblicher elektronisch-schaltungstechnischer Aufwand
getrieben werden, um aus dem stark verrauschten Meßfühlerausgangssignal
die den einzelnen Markierungen zugeordneten Nutzsignale für die weitere Verarbeitung zu extrahieren.
Darüber hinaus wird auch die maximal erreichbare
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Meß-genauigkeit durch dieses schlechte Signal-Rausch-Verhältnis
in nachteiliger Weise beeinflußt.
Die sich aus den eben erwähnten Problemen ergebenden hohen
Herstellungskosten sowohl für den Markierungsträger als auch die Auswerteelektronik haben zur Folge, daß bisher
eine sehr genaue und mit hohem Auflösungsvermögen erfolgende Winkelmessung nur in solchen, zahlenmäßig
begrenzten Fällen zum Einsatz kommen konnte, in
denen .die Verwendung einer mit derart hohen Herstellungskosten
behafteten Meßvorrichtung wirtschaftlich vertretbar war. - :
Demgegenüber liegt der; Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art
zu schaffen, die eine hochgenaue, gewünschtenfalls hochauflösende
Winkelmessung unter Verwendung eines einfachen, kostengünstig herstellbaren Markierungsträgers
ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den .Ansprüchen 1 (Verfahren) bzw. 28 (Vorrichtung) niedergelegten Merkmale vor.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also von einer
Meßanordnung ausgegangen, bei der ein sich ständig drehender, beispielsweise von einem kleinen Elektromotor
oder/ mittelbar über ein Getriebe oder dergleichen
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angetriebener Markierungsträger an dem einen der beiden Körper so befestigt ist, daß die Rotationsachse des
Markierungsträgers mit der gemeinsamen Drehachse der beiden Körper möglichst genau zusammenfällt. Auf dem
Markierungsträger ist eine Vielzahl von Markierungen
so angeordnet, daß diese Markierungen über die von den beiden Meßfühlern, von denen der eine an demselben
Körper wie der Markierungsträger und der andere an dem anderen der beiden Körper starr befestigt ist, aufgrund
der Eigenrotation des Markierungsträgers überstrichenen Bahnen in etwa gleichförmig verteilt sind, ohne daß dabei
ein besonderer Aufwand hinsichtlich einer möglichst genauen winkelmäßigen Positionierung der Markierungen
getrieben worden ist. Dennoch läßt sich die jeweilige momentane Winkellage dieser beiden Körper, die hier durch
die von der gemeinsamen Drehachse ausgehenden und jeweils durch einen der beiden Meßfühler verlaufenden Radialstrahlendefiniert
wird, außerordentlich genau dadurch bestimmen, daß der zeitliche Abstand zwischen Signalen
des einen Meßfühlers und Signalen des anderen Meßfühlers
gemessen wird, wobei diese Meßfühlersignale jeweils zu
identifizierten Markierungen gehören.
Nimmt man zum Beispiel an, daß zu einem beliebigen Zeitpunkt fc| an dem einen Meßfühler von der m-ten Markierung
ein Signal erzeugt wird, und kurz darauf an dem anderen' der beiden Meßfühler ein zur η-ten Markierung gehörendes
Signal erscheint, so läßt sich aus dem Zeitabstand ^5
Ct1) dieser beiden Signale, der momentanen Winkelge-
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schwindigkeit co(t^), die hier zunächst einfach als bekannt
vorausgesetzt wird, und dem ebenfalls bekannten Winkelabstand zwischen der m-ten Markierung und der
η-ten Markierung φ für den momentanen Winkel (D (t.,)
der beiden Körper nach folgender Gleichung ein erster
Wert berechnen:
Da jeder Meßfühler eine Vielzahl von Markierungen überstreicht,
lassen sich durch Ausmessung der Zeitabstände weiterer Markierungen, beispielsweise zwischen den Markierungen
m+1 und n+1, m+2, n+2, usw. eine große Menge weiterer
Winkelmeßwerte nach den analogen Gleichungen
ΐ (ΐ2} ■*** m+1,n+1 <V ^ ^ - f m+1 ,
(D
bestimmen, wobei die Winkelmeßwerte ^Ct1.) miteinander übereirstimmen
müssen, wenn sich die beiden Körper im betreffenden
Zeitraum nicht gegeneinander bewegt haben.
Anders als bei den bekannten Verfahren, bei denen die einzelnen Markierungen nicht als Individuen sondern völlig
anonym behandelt werden und dafür mit möglichst großer Exaktheit in genau definierten Winkelabständen auf dem Markierungsträger
angebracht werden müssen, wird gemäß der Erfindung zunächst in Kauf genommen, daß bei einem mit geringem Kostenaufwand
hergestellten Markierungsträger die Winkelabstände
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der Markierungen innerhalb relativ weiter Grenzen schwanken
können und es wird die angestrebte Genauigkeit dadurch erzielt,
daß man vor der eigentlichen Winkelmessung die Winkelabstände der interessierenden Markierungen genau bestimmt,
unter Zuordnung zu den als Individuen behandelten Markierungen speichert und dann, wenn diese auch während des Winkelmeßvorgangs
als Individuen erkannten Markierungen zu den erwähnten Zeitabstandsmessungen herangezogen worden sind, auf
den jeweils zugehörigen gespeicherten Winkelabstandswert
zurückgrieft, um den momentanen Winkel zwischen den beiden Körpern nach obigen Gleichungen zu berechnen.
Bevor auf die in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle
spielende Identifizierung der einzelnen Markierungen eingegangen
wird, sei noch darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße
Verfahren unabhängig davon durchgeführt werden kann, ob die beiden Abtastvorrichtungen auf dem Markierungsträger
dieselben Markierungen oder zwei voneinander räumlich getrennte Markierungsgruppen abtasten. Erfindungsgemäß wird
jedoch der zweite dieser beiden Fälle bevorzugt, da im ersten Fall die Schwierigkeit entsteht, daß die relativen
Bewegungsbahnen der beiden Abtastvorrichtungen sehr nah beieinander verlaufen, so daß sich unter Umständen erhebliche
Platzprobleme vor allem dann ergeben, wenn Winkel größer
360 gemessen werden sollen. Zwar ist es bei der Verwendung
von zwei räumlich voneinander getrennten Markierungsgruppen erforderlich, neben den Winkelabständen der einzelnen Markierungen
innerhalb jeder Gruppe auch noch den Winkel zwischen den beiden Gruppen zu berücksichtigen, doch stellt dies im
Vergleich' zur Verwendung einer einzigen Markierungsgruppe
nur scheinbar einen Nachteil dar.
Will man nämlich nicht einen extrem hohen und über längere
Zeiträume hinweg kaum aufrechtzuerhaltenden Justierungsaufwand treiben, so werden auch dann, wenn die beiden Abtasteinrichtungen,
ein "und dieselbe Markierungsgruppe abtasten, '. die beiden Spuren, auf denen dies geschieht, nicht miteinander
identisch sein* sondern beispielsweise
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die Spur der einen Abtastvorrichtung bezüglich der Drehachse einen etwas geringeren Radius aufweisen
als die Spur der anderen Abtasteinrichtung. Da erfin- . dungsgemäß aberMarkierungsträger verwendet werden sollen,
bei denen die Markierungen, beispielsweise längliche, radial gerichtete Streife^ohne besonders hohen
technischen Aufwand aufgebracht worden sind, muß davon
ausgegangen werden, daß diese Markierungsstreifen nicht nur in ihren Winkelabständen schwanken sondern auch nicht
exakt radial verlaufen, in diesem Fall wird also der
Markierungsträger jeweils eine etwas andere Winkelstellung
einnehmen, wenn ein* und dieselbe Markierung an dem Meßfühler der einen oder am Meßfühler der anderen Abtasteinrichtung ein Signal erzeugt. Es muß also auch hier
die wirikelmäßige Korrelation zwischen den an dem einen
Meßfühler erzeugten Signalen einerseits und den am anderen Meßfühler erzeugten Signalen andererseits hergestellt
werden, so daß sich letztlich die gleiche Situation wie bei der Verwendung von zwei räumlich
getrennten Markierungsgruppen ergibt. Im folgenden wird; daher konkret immer nur auf die Verhältnisse des
gemäß Anspruch 2 bevorzugten Falles Bezug genommen.
Wie oben ausführlich dargelegt, stellt es einen wesentlichen
Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, daß
die den zu Zeitabstandsmessungen herangezogenen MeßfühlerSignalen zugeordneten Markierungen sowohl
der einen als auch der anderen Gruppe jeweils als Individuen behandelt und identifiziert werden. Bevorzugterweise
erfolgt die Identifizierung der einzelnen
Markierungen innerhalb der jeweiligen Gruppe mit Hilfe von in dieser Markierungsgruppe vorhandenen Asymmetrien.
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Diese Asymmetrien können beispielsweise darin bestehen,
daß sich die einzelnen Markierungen hinsichtlich ihrer Länge und/oder Breite oder durch eine andere
Kodierung so voneinander unterscheiden, daß sie jeweils als Individuum erkennbar sind. Allerdings ist der hierfür
erforderliche Kodierungsaufwand bei der Herstellung des Markierungsträgers und ebenso der mit Hilfe entsprechender Abtasteinrichtungen durchzuführende Dekodierungsaufwand
beim eigentlichen Winkelmeßvorgang außerordentlich groß.
Deshalb wird es bevorzugt, daß mit Hilfe von Asymmetrien
in jeder Markierungsgruppe nur eine Markierung identifiziert wird, die dann als Null-Markierung bei der
durch Abzählen der zugehörigen Meßfühlersignale erfolgenden Identifizierung der übrigen Markierungen dieser
Gruppe dient. In diesem Fall wird der erforderliche Kodierungsaufwand wesentlich geringer, da es beispielsweise
genügt, die Null-Markierung einer jeden Gruppe etwas länger oder kürzer als die ,übrigen, einander im
wesentlichen gleichen Markierungen auszubilden, und diesen Unterschied mit Hilfe eines entsprechenden Sensors
abzutasten. ■
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich der hierfür erforderliche Aufwand dadurch einsparen, daß für jede
der Markierungsgruppen die Zeitabstände aller während
wenigstens einer Umdrehung aufeinanderfolgenden Meßfühlersignale
gemessen und als Asymmetrie die dabei
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festgestellten, einander nicht exakt gleichen Winkelabstände
der Markierungen ausgewertet werden.
Dabei ergeben sich also die zur Identifizierung der
einzelnen Markierungen erforderlichen Asymmetrien
dadurch ganz von selbst, daß es mit Hilfe eines entsprechend
genauen Zeltmeßverfahrens immer möglich
ist, die Winkelabstände zwischen den Markierungen, insbesondere zwischen den jeweils unmittelbar aufeinanderfolgenden
Markierungen mit einer solchen Genauigkeit zu bestimmen, daß es selbst dann innerhalb der betreffenden
Markierungsgruppe keine zwei für eine gegebene Winkelgeschwindigkeit
miteinander übereinstimmende Meßwerte gibt, wenn der Markierungsträger mit weit höherer Präzision
hinsichtlich der Positionierung der einzelnen Markierungen hergestellt wird, als dies im Rahmen
des erfindungsgemäßen Verfahrens angestrebt und erforderlich ist.
Es ist somit" möglich, jede der Markierungen innerhalb einer Gruppe mit Hilfe ihres WinkelabStandes von der
unmittelbar vorausgehenden und/oder von der unmittelbar nachfolgenden Markierung oder aber auch mit Hilfe
der Winkelabstände" von zwei oder mehr vorausgehenden Markierungen als Individuum zu erkennen, wenn erst
einaml sämtliche Winkelabstände aller jeweils in Drehrichtung, unmittelbar aufeinanderfolgender Markierungen
dieser Gruppe ausgemessen und gespeichert sind.
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Soll zum Beispiel beim Vorbeilaufen der η-ten Markierung
der einen Gruppe am zugehörigen Meßfühler eine bestimmte .Funktion ausgelöst werden, so kann diese Auslösung dann
erfolgen, wenn das erste Meßfühlersignal auftritt, nachdem
das Wiedererscheinen des bekannten und in dieser Markierungsgruppe nur ein einziges Mal vorhandenen Winkelabstandes
zwischen der (n-1)-ten und der (n~2)-ten Markierung erkannt worden ist.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Winkelabstand zweier Markierungen über den Zeitabstand der zugehörigen
Meßfühlersignale gemessen wird und in·diese Messung die momentane
Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers eingeht, ist es zweckmäßig, zur Identifizierung der η-ten Markierung
den Quotienten beispielsweise der die Winkelabstände der (n-1)-ten zur (n-2)-ten und der (n-2)-ten zur (n-3)-ten
Markierung kennzeichnenden Zeitabstände heranzuziehen, da bei
dieser Quotientenbildung die momentane Winkelgeschwindigkeit
herausfällt, wenn während des sich aus diesen beiden unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitabständen zusammensetzenden
Zeitraums die Dreh- bzw. Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers konstant ist; wegen der Kürze dieses Zeitraums wird
diese Bedingung im allgemeinen erfüllt sein. Auch ist die
Wahrscheinlichkeit, daß sich auf einem Markierungsträger
innerhalb einer Markierungsgruppe verschiedene Markierungsfolgen befinden, für die die in der eben beschriebenen Weise
gebildeten Quotienten im Rahmen der verwendeten sehr genauen
Zeitmessung einander gleiche Werte besitzen, nochmals wesentlich kleiner als die Wahrscheinlichkeit für das zufällige
Auftreten von zwei einander genau gleichen Winkelabständen
zwischen aufeinanderfolgenden Markierungen.
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Auch bei dem eben beschriebenen besonders bevorzugten
Identifizierungsverfahren ist es nicht erforderlich,
alle Markierungen einzein zu identif iζieren. Stattdessen
kann auch hier mit Hilfe der vorhandenen Asymmetrien in jede Markierungsgruppe ,nur eine einzige Markierung
identifiziert werden, die dann als Null-Markierung bei der durch Abzählen der zugehörigen Meßfühlersignale
erfolgenden Identifizierung der übrigen Markierungen dient.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß es im allgemeinsten
Fall nicht erforderlich ist, diese Null-Markierungen ,bei der Herstellung des Markierungsträgers von
vornherein und endgültig als solche festzulegen. Vielmehr
kann jede der auf dem Markierungsträger vorhandenen Markierungen während des Betriebs einer nach dem
erfindüngsgemäßen Verfahren arbeitenden Meßvorrichtung willkürlich herausgegriffen und für einen folgenden
Zeiträum als Null-Markierung verwendet werden.
Das Herausgreifen irgendeiner Markierung als Null-Markierung
erfolgt bevorzugt mit Hilfe der Vorschrift, daß der., zum periodischen ,d.h. mit jeder Umdrehung wieder von
vorn beginnenden Abzählen der Markierungen dienende Zähler durch diejenige Markierung immer wieder auf Null zurückgesetzt
werden soll, die die letzte von den drei unmittelbar aufeinanderfolgenden Markierungen ist, deren beide
Zeitabstände den kleinsten öder alternativ den größten
Quotienten ergeben.
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Zur Vereinfachung ist es jedoch auch möglich, anstelle von
oder zusätzlich zu den in den Markierungsgruppen "natürlicherweise"
vorhandenen Asymmetrien "absichtlich" erzeugte Asymmetrien zur Identifizierung zumindest der Null-Markierung zu verwenden. So kann zum Beispiel vorgesehen sein,
daß eine der Markierungen dadurch als Null-Markierung festgelegt wird, daß ihr Winkelabstand zu einer ihrer unmittelbaren
Nachbarmarkierungen sich wesentlich von den Winkelabständen aller anderen einander unmittelbar benachbarten
Markierungen unterscheidet.
Wie die oben wiedergegebenen Gleichungen (1) zeigen, ist es zur erfindungsgemäßen Bestimmung des momentanen Winkels
<t (t) zwischen den beiden Körpern nicht nur erforderlich,
die für die momentane Zeitabs tandsmes sung A&y(t) herangezogenen
Markierungen μ und ν als solche zu identifizieren,
sondern es muß auch der von diesen Markierungen eingeschlossene Winkel tf„w bekannt sein. Nun ist es zwar
prinzipiell möglich, einen gemäß der Erfindung ohne besonders großen Aufwand hergestellten Markierungsträger
vor seiner Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
sorgfältig auszumessen und die einzelnen Winkelabstände zwischen den Markierungen der einen und den
Markierungen der anderen Gruppe beispielsweise in einem elektronischen Festwertspeicher niederzulegen und für
die später erforderlichen Rechenoperationen zur Verfügung zu stellen. Dies würde allerdings bedeuten, daß man
an den exakt radialen Verlauf der einzelnen Markierungen
in jeder Gruppe und an die Langzeitkonstanz der gesamten
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Anordnungsgeqmetrie außerordentlich hohe Anforderungen
stellen müßte.
Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist für eine besonders bevorzugte Variante dieses erfindungsgemäßen
Verfahrens nach Anspruch 8 vorgesehen, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Winkelmeßvorrichtung selbst
in einem Eichlauf, der zumindest einmal vor den eigentlichen Winkelmeßvorgängen erfolgen muß, zunächst in einem
ersten Schritt die Winkelabstände zwischen den jeweils einander unmittelbar benachbarten Markierungen
innerhalb einer jeden Markierungsgruppe dadurch bestimmt werden, daß man die Zeitabstände der diesen
Markierungen zugeordneten Meßfühlersignale zumindest wahrend einer vollen Umdrehung des Markierungsträgers
mißt. Die Größe der so gewonnenen Zeitabstandsmeßwerte hängt natürlich von der dabei herrschenden Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers ab; sie müssen daher mit dem Wert dieser
Winkelgeschwindigkeit multipliziert werden, damit man die für die folgenden - Messungen benötigten Eichwerte
erhält, die dann so abgespeichert werden, daß ihre Zuordnung zu den individuellen und wieder identifizierbaren
Markierungen erhalten bleibt.
Die hier eingehende Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers kann zum Beispiel dadurch bekannt sein, daß der
den Markierungsträger in eine ständige Rotation versetzende Antrieb so geregelt wird, daß die Geschwindigkeit dieser
Rotation auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten
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wird. Neben dem hierfür erforderlichen schaltüngstechnischen
Aufwand hat dies den Nachteil, daß sich die in
die schließlich durchzuführende Winkelmessung als wesentlicher Bestandteil eingehenden Eichwerte nur mit
der Genauigkeit bestimmen lassen, mit der die die Drehgeschwindigkeit
des Markierungsträgers konstant haltende Regelvorrichtung arbeitet. Dies ist für viele Anwendungsfälle nicht ausreichend.
Daher ist gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß die erfindungsgemäße Winkelmeßanordnung die während des Eichlaufes herrschende
Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers - gemäß der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung P (mit der Bezeichnung "Verfahren und
Vorrichtung zur Messung der Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers", unser Aktenzeichen M 41) selbst bestimmt,
deren Inhalt hierdurch ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen
wird.
Dies kann gemäß Anspruch 9 entweder dadurch geschehen,
daß dann, wenn jede der Markierungsgruppen nur mit einem einzigen Meßfühler abgetastet wird, die oben beschriebenen
Eichlauf-Messungen über wenigstens zwei volle Umdrehungen des Markierungsträgers hinweg durchgeführt werden. Man erhält
dann für jede Markierungsgruppe wenigstens zwei Reihen von Zeitabstandsmeßwerten, wobei die gleiche Platzziffer innerhalb einer jeden Meßreihe aufweisende Meßwerte immer von
demselben Markierungspaar stammen. Stimmen nun sämtliche,
einander in dieser Weise entsprechende Meßwerte der verschiedenen Meßreihen innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen
miteinander überein, so kann daraus der Schluß gezogen werden,
daß die Dreh-
130047/0 348
Geschwindigkeit des Markierung«trägers während der
Aufnahme dieser Meßreihen, d.h. beispielsweise während
zweier Umdrehungen konstant war. Mißt man während dieser
Umdrehungen zumindest für eine Markierung die Zeitabstände der Signale, die von dieser Markierung beim
ersten und beim darauffolgenden zweiten Vorbeilaufen an
einem Meßfühler, d.h. also bei einer Drehung des Markierungsträgers
um genau 360° erzeugt worden sind, so erhält man hieraus ein unmittelbares Maß für diese
während des Eichlaufes konstante Drehgeschwindigkeit, mit der dann die Meßwerte entweder der während der
ersten Volldrehung gewonnenen und zwischengespeicherten Meßreihe oder die hiermit ja praktisch identischen
Meßwerte der zweiten Meßreihe zur Gewinnung der erforderlichen Eichwerte multipliziert werden.
Die für dieses Verfahren einzuhaltende Eoüderung, daß
die Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers während wenigstens zweier Volldrehungen konstant bleiben
muß,, läßt sich ohne weiteres erfüllen, da ja selbst dann,
wenn die Drehgeschwindigkeit des frei laufenden und keinerlei Belastungen unterleigenden Markierungsträgers
des öfteren schwankt, dazwischen doch immer wieder Zeiträume
liegen, in denen keine derartigen Schwankungen auftreten. Will man die Zeit, während derer die Winkelgeschwindigkeit
des Markierungsträgers zur Durchführung eines Eichlaufes konstant sein muß, noch verkürzen,
so ist es beispielsweise möglich, jede Markierurigsgruppe
mit zwei einander diametral gegenüberliegenden Meßfühlern
130047/0348
abzutasten. Das Verfahren läuft prinzipiell genau sowie oben beschrieben, doch kann man hier bereits nach
einer halben Umdrehung mit dem Vergleich der beiden hier an den verschiedenen Meßfühlern entstehenden Meßreihen
beginnen, so daß sich der gesamte Eichlauf innerhalb einer vollen Umdrehung abschließen läßt.
Eine andere Möglichkeit zur überprüfung der Konstanz der Winkelgeschwindigkeit besteht darin, daß man hierzu
nicht die Zeitabstände der zu den jeweils einander unmittelbar
benachbarten Markierungen gehörenden Signale verwendet, sondern über zwei volle Umdrehungen des
Markierungstägers hinweg für jede Markierung den Zeitabstand zwischen dem bei einem ersten Vorbeilaufen dieser
Markierung am Meßfühler ausgelösten Signal und dem von derselben Markierung beim nächsten Vorbeilaufen
an diesem Meßfühler erzeugten Signal mißt und alle diese 360°-Zeitabstände miteinander vergleicht. Ergibt sich
hier eine Übereinstimmung innerhalb vorgegebener ToIeranzgrenzen, so kann man auch hieraus auf eine Konstanz
der Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers während dieses Zeitraums schließen und die gleichzeitig gemessenen
Zeitabstände der zu einander benachbarten Markierungen
gehörenden Signale nach einer entsprechenden Umrechnung.als Eichwerte benutzen.
Die eben beschriebenen Eichmessungen müssen zwar mindestes einmal durchgeführt werden, bevor der eigentliche Winkelmeßbetrieb
aufgenommen werden kann. Um keine besonderen Anforderungen an die Langzeitkonstanz insbesondere der
130047/0348
Geometrie der Meßanordnung stellen zu müssen, wird es jedoch bevorzugt, daß der Eichlauf zur ständigen Nacheichung
wiederholt wird. Dies kann zwischen den einzelnen Winkelmeßvorgängen geschehen.
Grundsätzlich stellt -es aber, keine besondere Schwierigkeit
dar, praktisch gleichzeitig mit den Winkelmeßvorgängen
Meßwerte zu gewinnen, die für eine ständige Nacheichung des Systems herangezogen werden können. So 1st es z.B.
möglicti, bei jeder Umdrehung des Markierungsträgers
an jeden Meßfühler-die Zeitabstände zwischen allen unmittelbar aufeinanderfolgenden Meßfühlersignalen zu
messen und mit den entsprechenden Zeitmeßwerten der
vorausgehenden Umdrehung zu vergleichen. Stellt sich
heraus, daß die erfaßten Werte nicht innerhalb vorge-· gebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, so wird zunächst an den alten, gespeicherten Eichwerten · festgehalten und die auftretende Abweichung als Kennzeichen für eine momentane Änderung innerhalb des Meßsystems interpretiert. Sobald aber zwei aufeinanderfolgende Umdrehungen des Markierungsträgers wieder zu denselben Zeitäbstandsmeßwerten führen, d.h. also diese Zeitabstandsmeßwerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, können sofort neue Eichwerte gebildet und anstelle.der alten Eichwerte gespeichert werden. Dadurch wird die Meßanordnung in die Lage versetzt, sehr rasch auf irgendwelche auftretenden Drifterscheinüngen zu reagieren und den Einfluß dieser Drifterscheinungen zu eliminieren.
an jeden Meßfühler-die Zeitabstände zwischen allen unmittelbar aufeinanderfolgenden Meßfühlersignalen zu
messen und mit den entsprechenden Zeitmeßwerten der
vorausgehenden Umdrehung zu vergleichen. Stellt sich
heraus, daß die erfaßten Werte nicht innerhalb vorge-· gebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, so wird zunächst an den alten, gespeicherten Eichwerten · festgehalten und die auftretende Abweichung als Kennzeichen für eine momentane Änderung innerhalb des Meßsystems interpretiert. Sobald aber zwei aufeinanderfolgende Umdrehungen des Markierungsträgers wieder zu denselben Zeitäbstandsmeßwerten führen, d.h. also diese Zeitabstandsmeßwerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander übereinstimmen, können sofort neue Eichwerte gebildet und anstelle.der alten Eichwerte gespeichert werden. Dadurch wird die Meßanordnung in die Lage versetzt, sehr rasch auf irgendwelche auftretenden Drifterscheinüngen zu reagieren und den Einfluß dieser Drifterscheinungen zu eliminieren.
U47/0 348
Da die beschriebenen Eichmessungen lediglich zu Eichwerten
für die Winkelabstände der einzelnen Markierungen innerhalb einer jeden Markierungsgruppe führen, aber keine
Aussage über die Winkelabstände zwischen zu verschiedenen Markierungsgruppen gehörenden Markierungen
liefern, müssen sie zumindest dann, wenn auf dem Mar-. kierungsträger zwei räumlich voneinander getrennte
Markierungsgruppen vorhanden sind,"bzw. eine einzige vorhandene Markierungsgruppe von den beiden Meßfühlern
auf radial deutlich voneinander beabstandeten Spuren abgetastet wird, durch einen entsprechenden zweiten
Schritt ergänzt werden, der die erforderliche winkelmäßige Korrelation zwischen den Markierungsgruppen herstellt.·
Zu diesem Zweck wird vorzugsweise das Verfahren nach
Anspruch 12 angewendet, d.h. es wird wenigstens ein Zeitabstand zwischen Signalen gemessen, von denen das eine
von einer bekannten Markierung der einen Gruppe an dem einen Meßfühler und das andere von einer bekannten
Markierung der anderen Gruppe an dem.anderen Meßfühler
hervorgerufen wird. Ist die momentane .Drehgeschwindigkeit
des Markierungsträgers bekannt, so kann hieraus der auf
den zu diesem Zeitpunkt zwischen den Radialstrahlen der beiden Meßfühler eingeschlossenen, die Nullstellung
der Winkelmessung definierenden Winkel bezogene Winkelabstand
dieser beiden zu den verschiedenen Gruppen gehörenden Markierungen berechnet und somit ein Anschluß
zwischen den beiden Gruppen hergestellt werden.
Mit dieser Messung und Berechnung kann nicht der wahre
Winkelabstand der beiden betrachteten Markierungen auf dem Markierungsträger sondern nur der um den zu diesem
Zeitpunkt zwischen den beiden durch die Meßfühler verlaufenden Radialstrahlen eingeschlossenen, durch die
130047/0348 BAD ORIGfISJAL.
~ 37 "
erfindungsgemäße Vorrichtung selbst nicht meßbaren Nullwinkel
verringerte scheinbare Winkelabstand dieser Markierungen
erfaßt werden.
Durch diese Zeitabstandsmessung wird also ein
willkürlicher .Nullpunkt der Winkelmessung definiert, der
sich aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens in völlig beliebige Weise festlegen und je nach Bedarf auch wieder
ändern läßt. Führt man zum Beispiel die in Rede stehende Zeitabstandsmessung zu einem Zeitpunkt durch, in dem dafür
gesorgt ist, daß die beiden durch die Meßfühler verlaufenden Radialstrahlen miteinander genau zur Deckung kommen,
so wird diese Stellung der beiden Körper, deren Winkelabstand gemessen werden soll, als Null-Lage definiert.
Soll dagegen die Null-Lage der Winkelmessung dadurch /definiert sein, daß in.ihr zwei Kanten der gegeneinander
verdrehbaren Körper miteinander fluchten, die sich bei der Drehbewegung der Körper aufeinander zu bzw. voneinander
wegbewegen, so wird die oben beschriebene, den Anschluß zwischen den beiden Markierungsgruppen herstellende
Zeitabstandsmessung eben dann ausgeführt, wenn diese beiden Körperkanten sich in der gewünschten Lage befinden.
Der auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogene Anschluß
zwischen den beiden Markierungsgruppen kann erfindungsgeitiä
auch dadurch hergestellt werden, daß die Zeitabstände für:mehrere Markierungspaare in der beschriebenen Weise
gemessen und zur Ermittelung des zugehörigen Winkels mit der momentanen Winkelgeschwindigkeit multipliziert werden.
Bildet man aus dieser Vielzahl von Messungen den Mittelwert,
so läßt sich hierdurch die Meßgenauigkeit nochmal
steigern.
Um ein entsprechend hohes Auflösungsvermögen der Winkelmessung
zu erzielen, werden dann nach Anspruch 13
13 0047/0348
3518496
unter Heranziehung der aus dem Eichlauf bekannten Winkelabstände innerhalb der einzelnen Markierungsgruppen
für eine Vielzahl von Paaren von Markierungen, von denen immer die eine zur einen und die andere zur anderen
Markierungsgruppe gehört, die auf den in der oben beschriebenen
Weise definierten Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabstände berechnet und gespeichert,
so daß sie dann bei den eigentlichen Winkelmessungen sofort zur Verfügung stehen.
Bei den bisherigen Überlegungen war immer davon ausgegangen
worden, daß die momentane Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers bekannt ist und daß deshalb ihr
Wert für die beispielsweise nach den Gleichungen (1) erforderlichen
Berechnungen zur Verfügung steht. Dies kann, wie bereits erwähnt, entweder dadurch erreicht werden, daß
man die den Markierungsträger für seine ständige Rotation antreibende Antriebsvorrichtung auf eine-konstante Winkelgeschwindigkeit
einregelt, was aber zu den erwähnten Schwierigkeiten insbesondere hinsichtlich der Genauigkeit
des momentanen Winkelgeschwindigkeitswertes führt.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist daher darin zu sehen, daß es gemäß Anspruch 14 erlaubt, nicht nur während des Eichlaufes sondern während
jeder Umdrehung mit Hilfe von Zeitabstandsmeßwerten die momentane Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers äußerst exakt zu messen. Sind nämlich, was nach
130 0 4 7/0348
3Q1849E
~ 59 "■
abgeschlossenem Eichlauf der Pall ist, die Absolutwerte
der Winkelabstände der Markierungen wenigstens einer Markierungsgruppe bekannt, so kann die momentane
Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers dadurch bestimmt werden, daß man
die Zeitabstände der von diesen Markierungen an dem zugehörigen Meßfühler erzeugten Signale mißt und nach
folgender Gleichung mit den gespeicherten Eichwerten vergleicht: _/"
Cu(t) = ——J-IL— GJ ε. (2)
Hierbei bedeuten -Cj>{ty die momentane Winkelgeschwindigkeit
des Markierungsträgers, &T„ ^ den beim Eichlauf
ermittelten Zeitabstand zwischen den beiden zu den identifizierten
Markierungen t* und«t/( gehörenden Meßfühlersignalen,
^ T M «^ Ct)- den momentan gemessenen Zeitabstand
der zu diesen'Markierungen gehörenden Signale und C*3
die beim Eichlauf ermittelte Winkelgeschwindigkeit.
Zur Bestimmung der momentanen Winkelgeschwindigkeit
CO (t) aus den gespeicherten Eichwerten und dem momentanen
Meßwert 4 T^: ^,^(t.) ist also nur eine einfache Rechenoperation
erforderlich, die sich auf elektronischem
Weg ohne weiteres und mit geringem apparativen Aufwand
13 0047/0348
3018406
durchführen läßt.
Bei dem eben beschriebenen Verfahren zur Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit o*(.t) des Markierungsträgers ist von besonderer Bedeutung, daß die betreffenden
Meßwerte immer nur eine Integration der differentiellen
Größe "Winkelgeschwindigkeit" über den sehr kurzen Zeitraum darstellen, der zwischen den verwendeten unmittelbar
aufeinanderfolgenden Markierungen zugeordneten Meßfühlersignalen liegt. Es wird hier also keinesfalls
der Mittelwert der Winkelgeschwindigkeit über eine oder gar mehrere volle Umdrehungen des Markierungsträgers
gebildet, so daß die beim Eichlauf bestehende Forderung einer Konstanz der Winkelgeschwindigkeit über einen langen
Zeitraum hinweg entfällt. Die für die Bestimmung von ψ (t)
benötigte momentane Winkelgeschwindigkeit oi(t) kann also
mit der erforderlichen Genauigkeit auch dann gemessen werden, wenn der Markierungsträger seine Rotationsgesehwindig-•keit
gerade ändert.
Aus den oben gemachten Ausführungen geht hervor, daß sämtliche für die Berechnung des momentanen Winkels
(P (t) gemäß Gleichungen (1) erforderlichen Größen aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens durch reine Zeitabstandsmessungen
zwischen Meßfühlersignalen gewonnen werden können.
Da Zeitabstände zwischen zwei aufeinanderfolgenden
elektrischen Signalen aber ohne hohen technischen und
130047/0348
-■-, ■■■.;-.■■-'■■■ — 41 ■-.■-■■_
kosteniaaßigen Aufwand beispielsweise mit Hilfe einer
quarzgesteuerten Oszillatorschaltung elektronisch sehr genau bestimmt werden können, erhält man den
gesuchten Winkel (P (t) mit der Genauigkeit der verwendeten
Zeitmessung und völlig unabhängig davon, mit welcher Genauigkeit bzw. Regelmäßigkeit die durch die
Meßfühler abgetasteten Markierungen auf dem Markierungsträger
angebracht worden sind. Gegenüber den bekannten Winkelmeßverfahren lassen sich also durch die Verwendung
eines stark verbilligten Markierungsträgers erhebliche Herstellungskosten einsparen, von denen nur ein sehr
geringer Teil durch den etwas größeren elektronischen Meß- und Auswerteaufwand wieder verbraucht wird.
Darüber hinaus kann für alle Teile der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung mit Ausnahme der Zeitmeßeinheit auf besondereMaßnahme?η
zur Sicherung einer Langzeitkonstanz
.-..'. /werden,
verzichtet/ da sieh, wie bereits erwähnt, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Meßsystem selbsttätig immer wieder nacheicht und somit in der Lage ist, den Einfluß sowohl kurzfristiger Schwankungen als auch langfristiger Drifterscheinungen auf das Meßergebnis vollständig zu eliminieren.
verzichtet/ da sieh, wie bereits erwähnt, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitendes Meßsystem selbsttätig immer wieder nacheicht und somit in der Lage ist, den Einfluß sowohl kurzfristiger Schwankungen als auch langfristiger Drifterscheinungen auf das Meßergebnis vollständig zu eliminieren.
Zwar ist es prinzipiell möglich, für die Bestimmung des
momentanen Winkels zwischen den beiden gegeneinander verdrehbaren Körper den Zeitabstand zwischen zwei beliebig
herausgegriffenen , identifizierten Markierungen,
von denen die eine zur einen Markierungsgruppe und die
andere zur anderen Markierungsgruppe gehört, zu messen.
Bevorzugt wird jedoch die Verfahrensvariante nach An-
004 7/0348
-«-- 30184SS
Anspruch 15, die insofern einen Sonderfall des int-Zusammenhang
mit Anspruch 1 und den Gleichungen (1) beschriebenen Meßverfahren darstellt, als davon ausgegangen wird, daß
einerseits zwei räumlich von einander getrennte Markierungsgruppen vorhanden sind, von denen die eine von dem einen
und die andere von dem anderen Meßfühler abgetastet wird, und daß andererseits die nach Gleichung (1) erforderlichen
Zeitabstände A θl ^, (t) nicht zwischen beliebigen identifizierten
Markierungen der einen und der anderen Markierungsgruppe sondern so gemessen werden, daß die Zeitabstandsmessung
im Einzelfall zwar durch das Vorbeilaufen einer beliebigen, identifizierten, hier durch den Zählindex
M gekennzeichneten Markierung eingeleitet, dann aber durch
das unmittelbar nächste, am anderen Meßfühler auftretende, der entsprechenden, durch den Zählindex ν gekennzeichneten
identifizierten Markierung der anderen Gruppe zugeordnete Signal beendet wird. Die eben erwähnten Zeitabstände
werden im folgenden kurz als "gemischte" Zeitabstände bezeichnet, um deutlich zu machen, daß sie zwischen Signalen
gemessen werden, die zu Markierungen aus verschiedenen Gruppen gehören.
Damit die Zeitabstände Aß« ν Ct) überhaupt in'sinnvoller
Weise zur Berechnung des momentanen Winkeis y(t) zwischen den beiden Körpern herangezogen werden können, muß die während
des jeweiligen Meßzeitraumes herrschende Winkelgeschwindigkeit co (t) des Markierungsträgers in dem Sinn konstant sein,
daß sie zumindest zu dem Zeitpunkt, in dem die die Messung
einleitende Markierung M an ihrem Meßfühler vorbeiläuft, denselben Wert besitzt, wie zu dem Zeitpunkt, in dem die
die Messung beendende Markierung ν an dem anderen Meßfühler das zugehörige Signal auslöst.
Da die momentane Winkelgeschwindigkeit C*J>
(t) aber nicht zu diesen Zeitpunkten als infinitesimal kleiner Wert son-
13 004 7/0348
3018Λ96
dem jeweils nur als Mittelwert über den (wenn auch sehr
kleinen) Zeitraum hinweg bestimmt werden kann, der vergeht,
bis zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Markierungen an einem Meßfühler vorbeigelaufen sind, wird die Konstanz der
Winkelgeschwindigkeit in obigem Sinne vorzugsweise gemäß Anspruch 16 dadurch überprüft, daß man ihren Mittelwert
über einen der Messung von A &* *>
unmittelbar vorausgehende) Zeitraum, nämlich in der Zeit zwischen dem Vorbeilaufen der-(
/Λ. -1) -ten und der JA-ten Markierung, und über einen der
Messung von AOu ν unmittelbar folgenden Zeitraum, nämlich
in der Zeit zwischen dem Vorbeilaufen der (JA +1)-ten und
der (yH+2)-ten Markierung an dem betreffenden Meßfühler
bestimmt und diese beiden Mittelwerte miteinander vergleicht
. Stimmen sie innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander überein, so kann daraus mit großer Zuverlässigkeit
der Schluß gezogen werden, daß sich die Winkelgeschwindigkeit während- der Messung von &&* v>
in obigem Sinne nicht geändert hat.
Da vorzugsweise eine Vielzahl von "gemischten" Zeitabständen gemessen wird, beispielsweise um durch Mittelwertbildung
der so erhaltenen Winkelwerte die Meßgenauigkeit noch weiter zu steigern, ist es zweckmäßig, die nach Anspruch 14
ohnehin laufend gemessenen Winkelgeschwindigkeitswerte
ständig für die eben beschriebene überprüfung heranzuziehen. Zeigt sich, daß die Winkelgeschwindigkeit des
Markierungsträgers sich vorübergehend ändert, so werden
die in diesem Zeitraum gewonnenen Meßwerte Δ<^<ν nicht
/zwischen* zur Berechnung des momentanen Winkels' üen beiden Körpern
herangezogen, sondern/solange gewartet, bis die Winkel
geschwindigkeitoo (t)'-des Markierungsträgers wieder konstant
ist. Da, wie bereits erwähnt, diese Konstanz nur für äußerst
kurze Zeiträume, nämlich jeweils nur solange gewährleistet sein muß, bis vier unmittelbar aufeinanderfolgende Mar-
130 0 47/0348
kierungen an einem Meßfühler vorbeigelaufen sind, um einen
weiteren Winkelmeßwert zu erhalten, wird dies im allgemeinen
sehr schnell wieder der Fall sein.
Bevor aus mehreren Winkel-Meßwerten · der Mittelwert
gebildet wird, ist zu überprüfen, ob nicht während des
Meßzeitraums eine Drehbewegung zwischen den beiden Körpern
oder eine andere, das Meßergebnis beeinflussende Störung
aufgetreten ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man die einzelnen Winkel-Meßwerte miteinander vergleicht und
den Mittelwert erst dann bildet, wenn sie innerhalb vorgegebener
Toleränzgrenzen miteinander übereinstimmen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß wegen der
freien Verdrehbarkeit der beiden Körper gegeneinander ohne weiteres Winkelstellungen auftreten können, in denen
der auszumessende Zeitabstand zwischen den von den beiden Meßfühlern stammenden Signalen praktisch beliebig kurz
wird. Erfindungsgemäß wird daher die Zeitmessung so durchgeführt, daß auch solche "Beinahe-Koinzidenzen" bzw.
echte Koinzidenzen in der richtigen Weise erfaßt und ausgewertet werden. Hierauf wird weiter unten nochmals genauer
eingegangen. Für das Auflösungsvermögen der Messung des
momentan von den beiden Körpern bzw. den erwähnten Radialstrahlen eingeschlossenen Winkels Φ bedeutet das, daß dieses
Auflösungsvermögen nicht durch den Winkelabstand der auf dem Markierungsträger einander benachbarten Markierungen
sondern allein durch das sehr hohe Auflösungsvermögen
der verwendeten Zeitabstandsmessung bestimmt wird.
Ein besonders wichtiger Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, daß eine nach ihm arbeitende
13004 7/0 34 8
Winkelmeßvorrichtung ohne besonders zusätzlichen technischen
Aufwand als extrem genau arbeitender Drehzahlgeber insbesondere für sehr langsame Drehgeschwindigkeiten
bis zu einigen tausendstel Hertz und weniger eingesetzt werden kann. Wird nämlich, wie oben beschrieben,
eine Reihe von Zeitabstandsmessungen zwischen den zu
verschiedenen Markierungsgruppen gehörenden Markierungen
zugeordneten Signalen durchgeführt und werden diese Meßwerte miteinander verglichen, so läßt sich eine aufgrund
einer während dieses Zeitraums auftretenden. Relativdrehung
zwischen den beiden Körpern fortschreitende Änderung dieser Werte mit sehr hoher Genauigkeit feststellen
und daraus die dieser Relativdrehung zugrundeliegende
Winkelgeschwindigkeit berechnen.
Alternativ hierzu können auch gemäß Anspruch 19 an beiden Meßfühlern die zur Ermittlung der momentanen Drehgeschwindigkeit
des Markierungsträgers erforderlichen, oben
beschriebenen Messungen durchgeführt und aus einem Vergleich der an den beiden Meßfühlern gewonnenen, unterschiedlichen Ergebnisse die entsprechende Winkelgeschwindigkeit
bestimmt werden.
Erfindungsgemäß können auch die beiden eben beschriebenen
Verfahren zur Messung langsamer Winkelgeschwindigkeiten
miteinander kombiniert werden.
Aus den bisher gemachten Ausführungen ergibt sich, daß
die Genauigkeit des beschriebenen Winkelmeßverfahrens
0047/0348
3018436
einzig und allein von der Genauigkeit abhängt, mit der
die im einzelnen interessierenden Zeitabstände gemessen werden. Daher kommt im Rahmen des erfindungsgemäßen.Verfahrens
dieser Zeitabs.tandsmessung eine besondere Bedeutung zu, und es wird bevorzugt vorgesehen, daß für
die verschiedenen Zeitabstandsmessungen die Impulse eines freilaufenden, quarzgesteuerten Oszillators abgezählt werden und daß beim Auftreten eines Signals an dem
einen oder dem anderen Meßfühler der nach der steigenden Flanke des nächsten Oszillatorimpulses erreichte Zählwert
ausgelesen und weiter verarbeitet wird.
Statt der nächsten steigenden Flanke kann erfindungsgemäß
auch die nächste fallende oder einfach die nächste Impulsflanke verwendet werden. In jedem Fall ermöglicht es dieses Verfahren, die interessierenden Zeitabstände dadurch
zu erhalten, daß man die Differenz der betreffenden Zählwerte bildet und mit der sehr genau bekannten und festliegenden
Periodendauer bzw. halben Periodendauer der Oszillatorschwingung multipliziert. Allerdings führt dies
nur dann zur einer hohen Meßgenauigkeit, wenn die Signale, deren Zeitabstand bestimmt werden soll, so weit auseinanderliegen
und/oder der Oszillator mit einer so hohen Frequenz schwingt, daß zwischen den beiden Signalen eine
so große Anzahl von Oszillatorperioden bzw. -impulsen
auftritt, daß die Tatsache keine wesentliche Rolle mehr spielt, daß bei dieser Art der Messung die kleinste-, nicht
mehr unterteilbare Zeiteinheit die Länge einer ganzen bzw. einer halben Oszillatorperiode ist.
130047/0348
©AD ORiGfMAL
.47- 3Q18A9E
Da nun, wie bereits erwähnt, der Zeitabstand zwischen
zwei Signalen, die von verschiedenen Meßfühlern abgegeben werden/ beliebig klein werden kann, ist die obige
Voraussetzung allenfalls für mit extrem hoher Frequenz
schwingende Oszillatoren erfüllbar, bei denen man ohne großen
Meßfehler zwei innerhalb einer Oszillatorperiode bzw. Halbperiode auftretende Ereignisse einfach als "gleichzeitig" betrachten kann. , : .
; . ■ /extrem hochfreugente Um den für solche")Oszillatoren erforderlichen Aufwand
zu vermeiden und dennoch zu sehr genauen Zeitabstandsmeßwerten
zu gelangen, ist bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß zur Bestimmung
der zeitlichen Lage der Meßfühlersignale innerhalb
der jeweiligen Schwingungsperiode des Oszillators durch diese Signale jeweils eine dem betreffenden Meßfühler
zugeordnete Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung gestartet
und durch die steigende Flanke des nächsten Oszillatorimpulses angehalten wird.
Liegen die beiden Signale, deren Zeitabstand gemessen
werden soll, soweit voneinander getrennt, daß zwischen ihnen eine oder mehrere Oszillatorperioden auftreten,
so wird ihr Zeitabstand nach dieeem Verfahren praktisch
durch drei Einzelmessungen, nämlich eine durch die Abzählung der Oszillatorimpulse gegebene Grobzeitmessung
und zwei mit Hilfe der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
bzw. -schaltungen durchgeführte Feinzeitmessungen bestimmt,
deren Ergebnisse vorzeichenrichtig zu dem
130047/0348
3018436
interessierenden Gesamt-Zeitabstand aufsummiert werden.
.
Liegen dagegen die beiden Signale so dicht beieinander, daß sie in dieselbe Schwingungsperiode des Oszillators
fallen (Grobmeßwert = O), was bei geeigneter Wahl der Oszillatorfrequenz bezüglich der Drehgeschwindigkeit des
Markierungsträgers und der Anzahl der in einer Markierungsgruppe enthaltenen Markierungen nur für von verschiedenen
Meßfühlern stammende Signale eintreten kann, so steht für jedes dieser Signale eine eigene Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
zur Verfügung, die den zeitlichen Abstand dieses Signals von der nächsten steigenden Oszillatorflanke
mißt. Die Differenz dieser beiden Zeitfeinmeßwerte ergibt dann den gesuchten Zeitabstandswert mit
sehr großer Genauigkeit auch dann, wenn er nahezu oder exakt gleich Null ist.
Da die üblichen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen über längere Zieten hinweg Drifterscheinungen aufweisen
können, wobei sich die jeweils innerhalb bestimmter Zeitspannen nach dem Start-Signal erreichte Ausgangsamplitude ändert, ist gemäß einer besonders bevorzugten
Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, daß jede Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
immer wieder dadurch nachgeeicht wird,daß sie durch eine Planke eines Oszillatorimpulses gestartet und durch
eine nachfolgende Oszillatorimpulsflanke angehalten wird
und daß der so erhaltene Zeitmeßwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung mit dem zwischen diesen beiden Oszillatorimpulsflanken,
liegenden Zeitraum verglichen wird.
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^:£>5Hu QAB
301
Es wurde oben bereits ausgeführt, daß die Genauigkeit
und Langzeitkonstanz des erfindungsgemäßen Winkel-
-Meßverfahrens nur von der Genauigkeit und der Iiangzeitkonstanz des zur Ausmessung der
interessierenden Winkelabstände verwendeten Zeitmeßverfahrens abhängt. Dadurch, daß nun auch bei der
die Schwingungsperioden des quarzgesteuerten Oszillators zeitlich auflösenden Zeitmessung die keineswegs
die Langzeitkonstanz eines Quarzes besitzenden "Seit/Amplituden-Wandlerschaltung mit Hilfe des Quarzes ständig naehgeeicht werden, erhält das gesamte Winkel-
interessierenden Winkelabstände verwendeten Zeitmeßverfahrens abhängt. Dadurch, daß nun auch bei der
die Schwingungsperioden des quarzgesteuerten Oszillators zeitlich auflösenden Zeitmessung die keineswegs
die Langzeitkonstanz eines Quarzes besitzenden "Seit/Amplituden-Wandlerschaltung mit Hilfe des Quarzes ständig naehgeeicht werden, erhält das gesamte Winkel-
* .fließverfahren dieselbe Genauigkeit und Langzeitkonstanz
wie der Quarz , Ohne daß an die übrigen Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in dieser Hinsicht
irgendwelche besonderen Forderungen gestellt werden
müßten. Da auch über sehr lange Zeiten hinweg sehr genau schwingende Quarze kostengünstig zur Verfügung
stehen, liefert das erfindungsgemäße Verfahren einen äußerordentlich preiswerten und dennoch extrem genau arbeitenden Winkelmesser.
müßten. Da auch über sehr lange Zeiten hinweg sehr genau schwingende Quarze kostengünstig zur Verfügung
stehen, liefert das erfindungsgemäße Verfahren einen äußerordentlich preiswerten und dennoch extrem genau arbeitenden Winkelmesser.
Die üblichen * Zeit-Amplituden-Wandlerschaltungen weisen
überdies die Eigenschaft auf, daß die Amplitude ihres Ausgangssignals' erst nach einer gewissen Anlaufzeit
nach jedem Startsignal linear mit der Zeit anwächst, während unmittelbar nach dem Startsignal eine mehr.oder weniger starke Nichtlinearität vorhanden ist. Da der freilaufende Oszillator mit den Meßfühlersignalen
in keiner Weise synchronisiert ist, ist es ohne weiteres möglich, daß zwischen dem die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung startenden Meßfühlersignal und der nächsten
nach jedem Startsignal linear mit der Zeit anwächst, während unmittelbar nach dem Startsignal eine mehr.oder weniger starke Nichtlinearität vorhanden ist. Da der freilaufende Oszillator mit den Meßfühlersignalen
in keiner Weise synchronisiert ist, ist es ohne weiteres möglich, daß zwischen dem die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung startenden Meßfühlersignal und der nächsten
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BAD OHiGiNAL
BAD OHiGiNAL
3018436
zum Anhalten verwendeten Oszillatorimpulsflanke ein so
kurzer Zeitraum liegt, daß. die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung im nichtlinearen Bereich arbeitet, was
zu einer Verfälschung des so gewonnenen Zeitmeßwertes
führen kann.
Um hier zu noch besser reproduzierbaren und genaueren Ergebnissen zu gelangen, sieht die Erfindung vor, daß das Anhalten
der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung durch die steigende Flanke des entsprechenden Oszillatorimpulses bei jeder
Zeitabstandsmessung und bei jeder Eichmessung mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt und
daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach jeder dieser Messungen durch ein schaltungsintern erzeugtes Startsignal
gestartet und.durch ein gleichzeitig mit diesem Startsignal erzeugtes, ebenfalls der vorbestimmten zeitlichen
Verzögerung unterworfenes Stopsignal wieder angehalten wird und daß der so gewonnene Korrekturwert von
dem vorausgehend gewonnenen Zeitmeßwert subtrahiert wird.
Durch diese Maßnahmen wird also zunächst die Zeitspanne,
während derer die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung bei jeder Zeitabstandsmessung und auch bei jeder Eichmessung
arbeitet, um einen vorgegebenen Zeitraum verlängert, der so gewählt ist, daß er mit Sicherheit größer ist als
der Zeitraum, während dessen die Amplitude des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung in nichtlinearer Weise anwächst. Sofort nachdem der so gewonnene
Meßwert zwischengespeichert ist, wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung auf den Ausgangszustand zurückgesetzt
und dann durch ein intern erzeugtes Startsignal neu gestartet . Gleichzeitig mit diesem Startsignal wird auch
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ein Stopülgnal intern erzeugt und der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
auf dem gleichen Weg zugeführt, auf dem sie bei den eigentlichen Zeitmessungen das von der Oszillatorimpulsflanke
herrührende Stopsignal erhält.
Dieses gleichzeitig mit dem intern erzeugten Startsignal
erzeugte Stopsignal erfährt also auch die oben erwähnte
Verzögerung, so daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
trotz der gleichzeitigen Erzeugung der beiden Signale für einen Zeitraum arbeitet, der dieser Verzögerung
(und eventuell zwischen Start- und Stopleitung vorhandenen
LaufZeitunterschieden, die bei der eigentlichen Zeitmessung in gleicher Weise vorhanden sind) entspricht.
Es wird somit ein Korrekturwert erzeugt, mit dessen Hilfe
exakt die in der gerade vorausgegangenen Zeitmessung
enthaltenen Laufzeitdifferenzen und Nichtlinearitäten erfaßt
werden. Dieser Korrekturwert wird von dem noch
zwischengespeicherten Zeitabstandsmeßwert oder Eich-Meßwert abgezogen. Die Differenz stellt einen Meßwert
dar/ wie man ihn mit einer ideal linear arbeitenden und
ohne Laufzeitdifferenzen angesteuerten Zeit/Amplituden-Wandler
schaltung erhalten würde und ist somit für eine weitere Verarbeitung optimal geeignet. Da die Korrekturwerte
immer sofort unmittelbar nach der zu korrigierenden Messung
gewonnen werden, wird auch der Einfluß von an dieser Stelle eventuell auftretenden Langzeitdriften eliminiert.
Weiterhin ist gemäß einer: besonders bevorzugten Ausführungsform' vorgesehen, daß durch jeden Meßfühler aus den auf dem
Markierungsträger angebrachten realen Markierungen ideale Marken abstrahiert und eieren Zeitabstände gemessen werden.
130 047/03U8
.52. -■ 3Ö18A96
Dies hat zur Folge, daß nicht nur keine besonderen Anforderungen an die Langzeit-Maßhaltigkeit des zur Herstellung des Markierungsträgers verwendeten Materials
und an die Genauigkeit der winkelmäßigen Positionierung der auf dem Markierungsträger angebrachten Markierungen
gestellt werden müssen, sondern daß auch die Breite und die konkrete geometrische Form dieser Markierungen sowie
die Genauigkeit ihres radialen Verlaufes keine wesentliche, die Genauigkeit der Winkelmessung
beeinflussende Rolle mehr spielen.
Dabei ist von besonderer Bedeutung, daß die Breite der realen Markierungen in Drehrichtung gesehen wesentlich
größer gewählt werden kann, als dies nach dem Stand der
Technik möglich war, ohne daß dadurch die Meßgenauigkeit
des Verfahrens in irgendeiner Weise beeinträchtigt würde. Durch die größere Breite der Markierungen läßt sich vielmehr das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang der Meßfühler
erheblich verbessern, wodurch einerseits der zur Verarbeitung der Nutzsignale erforderliche schaltungstechnische
Aufwand wesentlich verringerbar ist und zum anderen die Meßgenauigkeit noch weiter gesteigert werden kann. .
Vorteilhafterweise erfolgt die Abstrahierung der idealen
Marken aus den realen Markierungen dadurch, daß der Durchgang eines aus dem vom. Meßfühler beim Vorbeilaufen einer
Markierung abgegebenen Signal abgeleiteten elektrischen Signals durch einen vorgegebenen konstanten Spannungspegel
als ideale Marke dient, wobei bevorzugt als Meßfühler jeweils ein Differential-Fotoempfänger mit wenigstens einem
nachgeschalteten differenzbildenden Glied Verwendung findet
und der Null-Durchgang des vom differenzbildenden
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3Q18496
Glied.beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger
erzeugten Ausgangssignals als ideale Marke dient.
Als Dif f erential-Fotoeinpfanger kann eine Differential-Fotodiode
verwendet werden, deren lichtempfindliche Fläche durch einen bzw. zwei Trennstege in zwei Hälften
bzw. vier .Quadranten unterteilt ist.
Im ersten Fall wird die Fotodiode so angeordnet, daß ihr
Trennsteg bezüglich der Drehachse des Markierungsträgers
in etwa radial verläuft. Zur Signalverarbeitung ist der .Fotodiode nur ein differenzbildendes Glied, vorzugsweise
ein Differenzverstärker nachgeschaltet, dessen beide Eingänge jeweils mit einer der beiden Hälften der lichtempfindlichen
Flächeverbunden sind. Beim Vorbeilaufen einer jeden Markierung liefert das differenzbildende Glied jeweils ein Ausgangssignal, dessen Nulldurchgang in zumindest
kurzfristig exakt reproduzierbarer Weise eine Art "optische Schwerlinie" der realen Markierung definiert
und somit ausgezeichnet als ideale, zeitlich praktisch
"punktförmig©" Marke geeignet ist. Zwar ist es möglich r
daß die so gebildeten "Markierungs schwer linien." aufgrund von Drifterscheinungen beispielsweise der Licntempfindlichkeit
der Fotodiode über längere Zeiträume hinweg gesehen ihiο gegenseitigen Winkelabstände geringfügig ändern.
Durch die erfindungsgemäß ständig erfolgende Nacheichung
bleibt dies aber ohne Bedeutung.
Im zweiten Fall ist die Fotodiode so angeordnet, daß der
eine der beiden Trennstege wieder in etwa in radialer
130047/Q348
Richtung verläuft, während sich der andere etwa tangential
zu der vom Meßfühler bezüglich des Markierungsträgers
bei dessen Drehung beschriebenen Bahn erstreckt. Zur Verarbeitung der bei dieser Anordnung beim Vorbeilaufen einer
Markierung entstehenden vier Signale werden zwei differenzbildende Glieder verwendet, die so angeschlossen sind, daß
ihre beiden Eingänge jeweils die Signale von zwei einander bezüglich des Schnittpunktes der Trennstege gegenüberliegenden
Quadranten der lichtempfindlichen Fläche erhalten. Bei einer solchen Anordnung sind die von den beiden
differenzbildenden Gliedern beim Vorbeilaufen einer Markierung abgegebenen Signale bzw. deren Nulldurchgänge zeitlich
gegeneinander versetzt, wbnn die. Randlinien der Markierung nicht genau symmetrisch zu dem sich radial erstreckenden Trennsteg der Fotodiode verlaufen. Aus einer
Änderung des Zeitabstandes dieser beiden jeweils zu einer Markierung gehörenden Signale kann das Ausmaß einer aufgetretenen
radialen Relativverschiebung zwischen Meßfühler und Markierungsträger ermittelt und beispielsweise bei
Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzgrenze automatisch
eine Nacheichung des Systems durchgeführt werden. Auch das
Auftreten von Exzentrizitäten läßt sich mit dieser Anordnung erkennen. , ..
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß- für jedes von dem
differenzbildenen Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger abgegebene Ausgangssignal
ein Rechtecksimpuls erzeugt wird, dessen wenigstens eine Flanke in einem festen zeitlichen Abstand zum Null-Durchgang
des Ausgangssignals liegt, und daß die Zeitabstände die-
13004 7/0 348
BAD
ser Flanken gemessen und weiter verarbeitet werden. Die
von dem aus Meßfühler, differenzbildendem Glied und nachfolgender Pufferschaltung bestehenden Geber abgegebenen
Rechtecksinipulse können beispielsweise in ihrer Flankensteilheit und Amplitude so ausgebildet sein, daß sie
zur Ansteuerung der handelsüblichen TTL-IC-Digitalbausteine
geeignet sind, wodurch sich die nachfolgende Auswerteschaltung besonders kostengünstig aufbauen läßt..
Erfindungsgemäß können aber auch andere diskrete oder
integrierte Schaltungsbauteile zur weiteren Signalverarbeitung, herangezogen werden. Wesentlich ist allein
die strenge zeitliche Zuordnung eines eindeutig erfaßbaren
Teils, beispielsweise der steigenden Flanke des vom Geber beim Vorbeilaufen einer Markierung am Meßführer erzeugten Signals zu dieser Markierung, so daß
tatsächlich der zeitliche Abstand dieser Signalteile als
Maß für den Winkelabstand der Markierungen verwendet werden
kann·
Eine zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe geeignete Vorrichtung wird durch die im Anspruch 28
zusammengefaßten. Merkmale beschrieben. Auf die Funktion und Bedeutung der einzelnen Bestandteile dieser und der
durch den Anspruch 29 definierten Vorrichtung wurde bereits
im Zusammenhang mit der Schilderung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausführlich eingegangen. Es sei hier lediglich darauf hingewiesen/ daß diese im wesentlichen
von elektronischen Schaltungen gebildeten Bestandteile nicht notwendigerweise individuell nebeneinander vorhanden
sein müssen, sondern schaltungsmäßig zusammengefaßt sein können. So ist es z.B. möglich, die Identifizierungsschaltung,
die Steuerschaltung und die
0047/03148
Vergleichsschaltung mit den Rechenschaltüngenzu einem
einzigen Rechner zusammenzufassen, der der Reihe nach
oder parallel die entsprechenden Funktionen ausübt.
Derartige Rechner stehen zum Beispiel in Form von Mikroprozessoren
zu niedrigen Preisen zur Verfugung, so daß ihre Verwendung dem durch die Erfindung angestrebten
Ziel, nämlich der Schaffung einer äußerst genau arbeitenden und dennoch kostengünstigen Winkel-Meßvorrichtung
in keiner Weise entgegensteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfaßt die Zeitmeßeinheit einen quarzgesteuerten Oszillator, einen die Oszillatorperioden abzählenden Zähler
und zwei jeweils durch die vom zugehörigen Geber abgegebenen Signale triggerbare und durch vom Quarzoszillator abgegebenen
Signale anhaltbare Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen mit nachgeschalteten Analog/Digital-Wandlern.
Da es erforderlich ist, für einen zeitlich und funktionsmäßig
richtigen Ablauf der einzelnen Zeitmessungen zu sorgen, umfaßt die Zeitmeßeinheit darüber hinaus auch noch
eine Ablaufsteuerung, die entweder gesondert aufgebaut oder
mit in die .z.B. durch einen Mikroprozessor realisierte
Ablaufsteuerung des gesamten Meßsystems integriert sein kann.
Wesentlich ist, daß eine Ablaufsteuerung vorhanden ist,
die die erwähnten Funktionen übernimmt und gegebenenfalls
darüber hinaus dafür sorgt, daß zwischen den Zeitfeinmessungen die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen mit Hilfe des
Oszillators immer wieder nachgeeicht werden, und daß sowohl
130047/03 48
3019436
nach jeder ZeitfeinmesKung als auch nach jeder Eichmessung
die oben bereits beschriebenen Korrekturwerte gewonnen und in der erforderlichen Weise verarbeitet werden.
Zwar ist es möglich, die von jeder Zeit/Amplituden-Wandlerschältyng
abgegebenen analogen Meß- und Korrekturwerte jeweils für sich zu digitalisieren und erst dann weiter zu
verarbeiten. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, daß sie mit Hilfe von Sample-and-Hold-Schaltungen zunächst in analoger
Form zwischengespeichert, durch einen Differenzverstärker
voneinander subtrahiert und erst dann einem Analog/Digital-Wändler
zugeführt werden,
Wie bereits erwähnt, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren,
anstelle der auf dem Markierungsträger vorhandenen realen Markierungen aus diesen abstrahierte ideale, d.h.
ζeitlieh praktisch punktförmige Marken zu verwenden und
deren Zeitabstände auszumessen und weiterzuverarbeiten.
Das hat unmittelbar zur Folge, daß es anders als beim Stand
der Technik nicht mehr erforderlich ist, an die geometrisch Gestalt der Markierungen besondere Anforderungen zu stellen
Insbesondere müssen die Markierungen nicht mehr in Drehrichtung so extrem schmal ausgebildet werden wie bisher;
vielmehr wird es bevorzugt, daß die Markierungen einer jeden Markierungsgruppe sich hinsichtlich ihrer optischen
Eigenschaften von den an sie angrenzenden Bereichen des Markierungsträgers unterscheidende, im wesentlichen senkrecht
zur Richtung der Drehung des Markierungsträgers verlaufende Streifen sind, wobei sich besonders gut zu
verarbeitende elektrische Signale ergeben, wenn die Breite
130"O47/0348
SfciCi-»--
eines jeden Markierungsstreifens größer als die Breite
des Trennsteges der Differential-Fotodiode und kleiner als die Breite der Differential-Fotodiode ist. Die streifenförmige
Ausbildung der Markierungen führt zu einem wesentlich verbesserten Signal-Rauschverhältnis am Meßfühler-,
ausgang, da sich aufgrund der größeren Markierungsbreite ein wesentlich stärkerer optischer Kontrast zwischen den
Markierungen und den sie umgebenden Bereichen des Markierungsträgers erzielen läßt.
Die Abtastung des Markierungsträgers durch den Meßfühler kann entweder im Auflichtverfahren oder im Durchlichtverfahren
erfolgen. In jedem Fall ist dafür zu sorgen, daß das von der
Lichtquelle ausgehende Meßlichtbündel möglichst senkrecht auf die Oberfläche des Markierungsträgers auffällt, was beim
Auflichtverfahren zur Folge hat, daß das reflektierte Licht
auf dem Weg des auffallenden Lichtes zurückläuft. Da sich Lichtquelle und Lichtempfänger nicht an derselben Stelle befinden
können, wird zur Auskoppelung des reflektierten
Lichtes ein Strahlenteiler, beispielsweise ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet.
Um eine möglichst günstige Ausleuchtung des den Meßfühler bildenden Fotoempfängers zu erzielen, ist es zweckmäßig,
die Lichtaustrittsöffnung der Beleuchtungsanordnung möglichst nah am Markierungsträger anzuordnen. Dies kann entweder dadurch
geschehen, daß man die Lichtquelle eventuell unter Verwendung einer Abbildungs- bzw. Kondensoroptik möglichst
nah am Markierungsträger anordnet. In Fällen, in denen dies
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_ 59 _
3018486
beispielsweise aus Gründen des zur Verfügung stehenden
Raumes Vnicht möglich ist, ist bevorzugt, daß ein das Licht der Lichtquelle-in unmittelbare Nähe des Markierungsträgers
lenkender Lichtleiter vorgesehen ist. Dieser Lichtleiter kann überdies vorteilhafterweise dazu verwendet werden,
das von der Lichtquelle ausgehende Licht zu homogenisieren. Nicht nur Glühlampen, sondern auch die bevorzugt
als Lichtquelle.eingesetzten Licht emittierenden Dioden
(LED's oder Laserdioden) besitzen nämlich eine Struktur,
die dazu führt, daß das Licht nicht punktförmig sondern flächig abgestrahlt wird, wobei die einzelnen Punkte dieser
Fläche mit stark unterschiedlicher Helligkeit leuchten. Der zwischen Lichtquelle und Markierungsträger angeordnete
Lichtleiter vermag hier eine Kondensorfunktion auszuüben, d.h. seine dem Markierungsträger zugewandte
Stirnfläche erscheint als weitgehend homogen leuchtende
Fläche, mit deren Hilfe die lichtempfindliche Fläche
der den Meßfühler bildenden Fotodiode gleichmäßig ausgeleuchtet
werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen· unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigt j
Flg. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung, '
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Markierungsträger, -'.-'-.-
Fig> 3 eine schaltplanmäßige Darstellung eines einem
Meßfühler naehgeschalteten Gebers,
130047/4144
301.949.6
Fig. 4 ein Diagramm, das die an verschiedenen Stellen des
Gebers auftretenden elektrischen Signale wiedergibt,
Fig. 5 ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Zeitmeßeinrichtüng,
Fig. 6 und 7 das Arbeiten dieser Zeitmeßeinrichtung veranschaulichende
Signal-Diagramme, und
Fig. 8 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Markierungsträgers.
Fig. 1 zeigt die beiden um eine Drehachse 1 gegeneinander
in Richtung des Pfeiles F Verdrehbaren Körper 2 und 3, deren
jeweiliger momentaner Winkelabstand gemessen werden soll.
Der eine Körper 2 trägt den vermittels einer mit der Drehachse
1 ausgerichteten Welle 4 drehbar gelagerten Markierungsträger 5, der durch einen ebenfalls am Körper 2
befestigten Antrieb 6, der entweder direkt ein Elektromotor
oder aber ein Getriebe oder eine sonstige Antriebsvorrichtung sein kann, zu einer ständigen Rotation in
Richtung des Pfeiles R angetrieben wird.
Der Markierungsträger 5 besteht im wesentlichen aus zwei
an der Welle 4 axial voneinander beabstandet befestigten, kreisförmigen Seheiben .10 und 11", durch deren jeweiligen
Mittelpunkt hindurch in etwa die Welle 4 verläuft. Längs .
130047/0 348 ORIGINAL
des Randes einer jeden Scheibe 10,11 sind in etwa radial
verlaufende und in Drehrichtung voneinander beabstandete, st-reifenförmige Markierungen 12 angeordnet, die sich bei
dem tkir vjBstellten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der
Lichtdurchlässigkeit von den sie umgebenden Bereichen der jeweiligen Scheibe 10 bzw, 11 unterscheiden. Die auf
der Scheibe TO angeordneten Markierungen 12 bilden eine erste Markierungsgruppe et.--, die von der auf der Scheibe
11 angeordneten zweiten Markierungsgruppe Λ räumlich
getrennt angeordnet ist. Es ist nicht erforderlich, daß zwischen den Markierungsgruppen oC und β irgendeine
spezielle, fest vorgegebene Winkelbeziehung besteht. Da
im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf den
willkürlich wählbaren Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Wlnkeläbstände der zur Gruppe *· gehörenden Markierungen
12 von den zur Gruppe ß gehörenden Markierungen 12 durch enι-sprechende
Zeitabstandsmessungen ermittelt werden, können ·" die Scheiben 10 und 11 in einer beliebigen gegenseitigen
Winkelstellung an der Welle 4 befestigt sein. .
Auch die Drehgeschwindigkeit, mit der der Antrieb 6 den
Markierungsträger 5 in Rotation versetzt, ist in keiner
Weise kritisch und: es müssen keine speziellen Maßnahmen zu ihrer Stabilisierung.ergriffen werden. Zwar geht aufgrund
der Tatsache, daß die interessierenden Winkel durch Zeitabstandsmessungen bestimmt werden, die Drehgeschwindigkeit
des Markierungsträgers wesentlich mit in die Messungen ein, doch wird sie im Rahmen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ununterbrochen mit sehr großer Genauigkeit und mit sehr hohem zeitlichen Auflösungsvermögen geinessen, so daß sowohl kurz- als auch langfristige
Schwankungen der Drehgeschwindigkeit immer sofort
130047/0348
■ 3918436
_ 62 _ ·
erfaßt und berücksichtigt werden können.
An dem einen der beiden Körper 2 ist weiterhin eine erste,
die Scheibe 10 des Markierungsträgers 5 abtastende Abtastvorrichtung 14 befestigt, die im .wesentlichen aus einem
Träger 16, einer oberhalb der einen Flachseite der Scheibe
10 angeordneten Lichtquelle 17 und einem als Fotodetektor ausgebildeten Sensor 15 besteht, der auf der gegenüberliegenden
Seite der Markierungsscheibe 10 so angeordnet 1st, daß
die Verbindungslinie zwischen Lichtquelle 17 und Fotodetektor
15 in etwa senkrecht auf der die Markierungen 12 tragenden
Oberfläche der Skalenscheibe 10 steht. ·
Durch die in Richtung des Pfeiles R erfolgende Drehung der Welle 4 laufen also in ständigem Wechsel lichtundurchlassige
Markierungen 12 und lichtdurchlässige Markierungezwischenräume durch das Meßlichtbündel· hindurch, das auf diese
Weise moduliert wird.
Als Lichtquelle 17 findet bevorzugt eine Licht emittierende
Diode Verwendung, bei der es sich entweder um eine LED oder
um eine Laser-Diode handeln kann.
Der opto-elektrische Meßfühler 15 gibt über die Leitung 18
an eine Meß- und Auswerteschaltung 25 jedesmal dann ein elektrisches Signal ab, wenn an ihm eine der Markierungen
12 der Markierungsgruppe oL vorbeiläuft.
130047/0348
An dein zweiten Körper 3 ist eine die zweite Skalen-Scheibe
1T des Markierungsträgers 5 abtastende Abtastvorrichtung
19 befestigt, die in der gleichen Weise
aufgebaut ist, wie die Abtastvorrichtung 14 und einen opto-erektrischen Sensor 20, sowie einevorzugsweise
als Licht emittierende Diode ausgebildete Lichtquelle
22 umfaßt, die von einem Träger 21 gehalten werden. Die vom öpto-elektrischen Sensor 20 beim Vorbeilaufen
der Markierungen 12 der Markierungsgruppe β abgegebenen
Signale werden der Meß- und Auswerteschaltung 25 über eine Leitung. 23 zugeführt.
Ausgehend von der Drehachse 1 läßt sich durch jeden der
beiden Meßfühler 15 und 20 ein strichpunktiert wiedergegebener Radialstrahl 26 bzw. 27 legen,, und es ist
im Grunde genommen der von diesen beiden Radialstrahlen
26 und 27 bezüglich der Achse 1 eingeschlossene Winkel,
der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen wird. Allerdings
ist es nicht erforderlich, den Nullpunkt dieser Winkelmessung dadurch zu definieren, daß die beiden
Radialstrahlen 26 und 27 in der in. Richtung der Achse
1 durchgeführten Proj ektion genau zur Deckung kommen.
Vielmehr ist dieser Nullpunkt völlig frei wählbar, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise
unmittelbar den Winke L zwischen zwei sich bei der
Drehbewegung der beiden Körper 2,3 in Richtung des Pfeiles Finder in Richtung der Achse 1 erfolgenden
Projektion aufeinander zu- bzw. voneinander weg bewegenden
Kanten der Körper 2,3 mißt und direkt anzeigt.
Als mit den Leitungen 18 bzw. 23 verbundene Eingangsglieder
umfaßt die Meß- und Auswerteschaltung 25 zwei
Geber 28 bzw. 29, die nicht nur zur Formung der Meßfühlersignale sondern auch dazu dienen, aus den realen, auf dem
Markierungsträger 5 befindlichen Markierungen 12 ideale,
d.h. zeitlich praktisch punktförmige Marken zu gewinnen, deren Zeitabstände dann durch die den Gebern 28 und 29
nachgeschaltete Zeitmeßeinheit 30 sehr genau ausgemessen werden können.
Weiterhin umfaßt die Meß- und Auswerteschaltung 25 eine
Identifizierungsschaltung 33, die erkennt, welche Mar-■ kierung 12 der Gruppe <* bzw. /S gerade am Meßfühler 15
bzw. 20 vorbeiläuft. Diese Identifizierung kann mit Hilfe
der von der Zeitmeßeinheit 30 für das der jeweiligen
Markierung unmittelbar vorausgehende Markierungspaar gemessenen Zeitabstände bzw. des Quotienten der Zeitabstände
der unmittelbar vorausgehenden Markierungspaare und/oder durch Abzählen der unmittelbar von den Gebern
28 bzw. 29 kommenden Signale erfolgen. Die Identifizierungsschaltung 33 liefert die jeweiligen Markierungen
individualisierende Informationen an eine Steuerschaltung 35, die nach einem vorgebbaren Programm zentral die
Funktionsabläufe in der gesamten Meß- und Auswerteschaltung steuert. Da dieser Steuerschaltung 35 zur einwandfreien
Durchführung ihrer Aufgaben auch Informationen über den jeweiligen Arbeitszustand der übrigen Schaltungsbestandteile zufließen müssen, ist sie mit diesen durch
in beiden Richtungen arbeitende ubertragungsleitungen
verbunden, was in Fig. 1 durch an beiden Enden mit Pfeilen
130047/0348
BAD
versehene Doppellinien symbolisiert ist.
Die Zeitmeßeinheit 30 besitzt gemäß Fig. 1 im wesentlichen
drei .Signal-Ausgangsleitungen 40, 41 und 42, von denen die beiden ersten 40 und 41 jeweils mit einem entsprechenden
Eingang der Identifizierungsschaltung 33, eines Zwischenspeichers 50, einer Vergleichsschaltung 51 und einer
ersten Rechen- und Speicherschaltung 55 verbunden sind. Auf diesen Leitungen 40 und 41 gibt die Zeitmeßeinheit
30 die Zeitabstandsmeßwerte A ΤΛ« bzw. A Τλι>
ab, die sie für die unmittelbar aufeinanderfolgenden,
identifizierten Markierungen 12 der Gruppe oCbzw./3
zugeordneten Signale der Geber 28 bzw. 29 ermittelt hat.
Beim Eichlauf werden diese Zeitabstandsmeßwerte A T-, μ
und Δ ta·»; zunächst für eine beliebig herausgegriffene
Umdrehung des Markierungsträgers 5 gemessen und unter Beibehaltung ihrer Zuordnung zu den zugehörigen Markierungen
und Markierungsgruppen oC bzw. f\ im Zwischenspeicher
50 gespeichert.
Bei der nächsten Umdrehung gibt der Zwischenspeicher 50
diese Werte in der Reihenfolge auf den Leitungen 43 und 44 an die Vergleichsschaltungen 51 ab, in der die zugehörigen
neuen Werte auf den Leitungen 40 und 41 erscheinen. Stimmen
die jeweils von den zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen
stammenden Wertepaare innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen miteinander überein, was ein Kennzeichen
130 04 7/0348
' BAD ORIGINAL
dafür ist, daß die Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers
5 in diesem Zeitraum konstant ist, so gibt die
Vergleichsschaltung auf den Leitungen 4 6 und 45 Signale, an die erste Rechen- und Speicherschaltung 55, die diese veranlassen, die auf den Leitungen 40 und 41 auch ihr
zugeführten neuen Zeitabstandsmeßwerte zur Berechnung von längerfristig zu speichernden Eichwerten heranzuziehen
und aus den von der Zeitmeßeinheit 30 während dieser beiden Umdrehungen ebenfalls gelieferten Zeitabstandsmeßwerten
für von jeweils ein und derselben Markierung an einem der Meßfühler 15 bzw. 20 erzeugten und
somit einer 360 -Drehung des Markierungsträgers 5 entsprechenden Signalen, die während der beiden Eichlaufumdrehungen
als konstant festgestellte Drehgeschwindigkeit zu berechnen.
Sobald für wenigstens eine der beiden Markierungsgruppen
eV oder ß ein kompletter Satz von Eichwerten für die
absoluten Winkelabstände ihrer Markierungen in der ersten
Rechen- und Speicherschaltung 55 enthalten ist, kann diese fortlaufend aus jedem von der Zeitmeßeinheit 30 neu
erzeugten Zeitabstandsmeßwert für diese Markierungsgruppe die momentane Drehgeschwindigkeit &j>
(t) des Markierungsträgers 5 unabhängig davon berechnen, ob die Vergleichsschaltung
eine Übereinstimmung mit dem zugehörigen von der vorausgehenden Umdrehung stammenden Wert anzeigt
oder nicht.
Die so erhaltene momentane Drehgeschwindigkeit λρ (t) ,
die während einer Umdrehung des Markierungsträgers 5 so
0047/0 348'
3018495
viele Male neu bestίnimt werden kann, wie Markierungen
in der betreffenden Markierungsgruppe enthalten sind,
wird von der ersten Rechen- und !Speicherschaltung 55 über die Leitung 47 der zweiten Rechen- und Speicherschaltung
57 zugeführt.
Diese zweite Rechen- und Speicherschaltung 57 erhält außerdem
über die Leitungen 49 und 48 die die Winkelabstände innerhalb einer jeden Markierungsgruppe ok bzw. /S betreffenden
Eichwerte von der ersten Rechen- und Speicherschaltung 55 und über die Leitung 42 von der Zeitmeßeinheit
30 Zeitabstandsmeßwerte A&uu für die von in den
verschiedenen Gruppen oC und /S enthaltenen Markierungen
stammenden Signale. .
Aus diesen "gemischten" Zeitabständen AOmv berechnet und
speichert die zweite Rechen- und Speicherschaltung 57 zunächst aufgrund eines ihr bei einer willkürlich als
Null-Stellung ausgewählten Winkelstellung der beiden Körper 2 und 3 bzw. der Radialstrahlen 26 und 27 zugeführten
Befehlssignals unter Heranziehung der über die Leitungen
4g und 48 erhaltenen Eichwerte und der. auf der Leitung
4 7 erhaltenen momentanen Winkelgeschwindigkeit co(t) des Markierungsträgers 5 eine Vielzahl von auf diesen
Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabständen if^ von identifizierten Markierungen **. und ν , von denen
immer die eine der einen Gruppe oC und die andere der
anderen Gruppe β angehört.
Ist diese die winkelmäßige, nullpunktsbezogene Korrelation
zwischen den beiden Markierungsgruppen pL und Λ her-
130 047/0 348
ORIGINAL
stellende Wertetafel· fertig, so kann die Rechen- und
Speicherschaltung 57 aus jedem neu gewonnenen Zeitab- '"-.-■
stand Δ θ v(t) , der zugehörigen momentanen Winkelgeschwindigkeit
&?(t) des Markierungsträgers 5 und dem
gespeicherten Tafeiwert <jL,/ die momentane Winkeiiage
(P (t) zwischen den beiden Körpern berechnen und über
die Leitung 39 einer Anzeigeeinheit 58 und/oder einer weiteren Verarbeitung zuführen, wenn überprüft worden
ist, ob die Winkeigeschwindigkeit w(t) des Markierungsträgers während der Messung von49-,v(t) konstant war.
Da aiie für die Berechnung von (P (t) verwendeten Größen
aus Zeitabstandsmessungen gewonnen wurden, bestimmt die erfindungsgemäße Winkeimeßvorrichtung den gesuchten Winkel·
mit der Genauigkeit und dem Aufiösungsvermögen der in
ihr enthaitenen. Zeitmeßeinheit 30.
Es sei hier noch darauf hingewiesen, daß die Signaiübertragung
zwischen den in Fig. 1 dargeste^ten Backen der
Meß- und AusWertescha^ung 25 nicht nur seriell sondern
auch para^el oder einer gemischten Form erfoigen kann.
In den beiden letzteren Fällen umfassen dann auch die mit
einfachen Strichen wiedergegebenen Verbindungen mehrere paral·l·el·e Übertragungsl·eitungen.
Bevor im folgenden genauer auf den Aufbau und die Funktion
der Zeitmeßeinheit 30 eingegangen wird, soil zunächst noch anhand der Figuren 2 bis 4 das Zusammenwirken zwischen den
Markierungsscheiben 10 bzw. 11 mit den zugehörigen Meßfühlern
15 bzw. 20 und der Aufbau und die Arbeitsweise
der die Signale dieser Meßfühler formenden Geber 28 und
29 beschrieben werden. Da der prinZipie^e Aufbau der Mar-
0047/0 348
kierüngsscheiben 10 und 11 und der zugehörigen Meßfühlerund
Geberanordnungen 15, 29 bzw. 20,28 identisch ist, sollen hierfür nur die Markierungsscheibe 10, ihr zugehöriger
Meßfühler 15 und der diesem nachgeschaltete Geber 29 betrachtet werden.
In Fig. 2 ist ein zwei Markierungen umfassender Ausschnitt
einer Skalenscheibe 10 wiedergegeben, bei der anders
als in Fig. 1 die große Fläche der Scheibe lichtundurchlässig ist, so daß das von der Lichtquelle ausgehende
Meßlichtbündel nur dann zum Meßfühler zu gelangen vermag, wenn eine Markierung 12 am Meßfühler vorbeiläuft.
Dieser Meßfühler besteht gemäß Fig. 2 im wesentlichen aus einer Differential-Fotodiode 62, deren lichtempfindliche
Flächen 64,64 durch einen schmalen Steg 63
voneinander getrennt sind. Wie der Fig. 2 deutlich zu entnehmen ist, kommt es nicht darauf an, daß die
Markierungsstreifen 12 eine besonders genau definierte geometrische Form besitzen, da aus ihnen mit Hilfe der
Differential-Fotodiode 62 und des im folgenden unter Bezugnahme auf Fig..3 ausführlicher beschriebenen
Gebers eine ideale Marke abstrahiert wird, die in Fig. 2 jeweils durch die strichpunktierten Linien 60 symbolisiert
wird. Wie Fig. 2 ebenfalls zeigt, umfaßt bei Verwendung einer Differential-Fotodiode 62 die Leitung 18
zwei voneinander isolierte Adern, die gemäß Fig. 3 einerseits
jeweils an einen der beiden Eingänge eines Differenzverstärkers 66 angeschlossen und andererseits über Lastwiderstände
67 mit der Systemmasse verbunden sind.
Bei einer gemäß der Erfindung besonders bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß in jede der von den lichtempfindlichen Flächen 64,64 der Differential-Fotodiode
zu einem der Eingänge de:s Differenzverstärkers 66 führende Leitung ein in Fig. 3 nicht dargestellter Verstärker mit
130047/0340 BAD ORiGiNAL
3018438:
hohem Verstärkungsfaktor eingeschaltet ist, um die von den
lichtempfindlichen Flächen der Fotodiode abgegebenen Signale vor der Differenzbildung vorzuverstärken. Dadurch läßt sich
erreichen, daß das in Fig. 4 in der dritten Zeile von oben wiedergegebene Ausgangssignal des Differenzverstärkers 66
einen sehr steilen und damit zeitlich exakt festliegenden und präzise detektierbaren Nulldurchgang aufweist.
Der Ausgang des Differenzverstärkers 66 ist zur gleichspannungsmäßigen
Entkopplung über einen Kondensator 6 8 an den über einen Widerstand 69 mit der Systemmasse verbundenen negativen
Eingang eines Komparators 70 gelegt. Der positive Eingang des Komparators 70 ist übor einen Widerstand 71 mit
einer vereinfacht als Potentiometer 72 daigestellten, einstellbaren
stabilisierten Spannungsquelle verbunden, die das zur Erkennung des üTull-Durchganges des vom Differenzverstärker
66 abgegebenen Ausgangssignals erforderliche Referenzpotential liefert. Der Ausgang des Komparators 70 ist einerseits
mit dem Eingang des ersten von zwei als Puffer dienenden Invertern 74 verbunden und andererseits über einen
Kondensator 73 zur Erzeugung einer definierten Hysterese auf den positiven Eingang des Komparators .70 rückgekoppelt.
Bei den Invertern 74 kann es sich beispielsweise um TTL-Bausteine
handeln, die dazu dienen, das vom Komparator 70 abgegebene Signal so zu formen, daß es ohne weiteres in die
nachfolgenden Schaltungseinheiten eingespeist werden kann.
Die Arbeitsweise des in Fig. 3 dargestellten Gebers soll nun anhand der Fig. 4 erläutert werden, in der über einer
Zeitachse die Signale wiedergegeben sind, die an den Punkten G bis K1 der Geberschaltung 29 auftreten, wenn am Meßfühler
15 eine Reihe von Markierungen vorbeiläuft.
Jedesmal, wenn das MeßllchtbünJel durch eine Markierung 12
unterbrochen, bzw. bei der Ausführungsform nach Fig. 2 durchgelassen
wird, entsteht an den Punkten G und H eine Halbwelle, wobei das Signal am Punkt G geaen das Signal am Punkt H zeitlich
versetzt ist, da die Differential-Fotodiode 62 so angeordnet ist, daß ihr Trennsteg 63 sich in etwa in radialer Richtung
13 004 7/0348
BAD ORiGiNAL
\ - 71 -
bezüglich der Drehachse der Markierungsscheibe 10 erstreckt, s>
daß zuerst;die eine und dann die andere der beiden lichtempfindlichen Flächen 64,64 der Diode 62 von der Markierung
überstrichen wird.
Aus den an den Punkten G und H auftretenden Halbwellen
erzeugt der Differenzverstärker 66 das Signal I, das dann den in Fig. 4 wiedergegebenen steilen und somit eine
ideale Marke bildenden Nulldurchgang aufweist, wenn die umfangsmäßige Breite der Markierungen 12 größer als die
Breite des Trennsteges 63 und kleiner als der Durchmesser
der Differential-Fotodiode 62 ist.
Erkannt wird der Nulldurchgang der Signale I mit Hilfe
des Komparators 70, dem durch die Potentialquelle 72 ein entsprechender Vergleichspegel vorgegeben ist. Am
Ausgang des Komparators 70 erscheinen die Rechtecksignale K, deren steigende Flanken sehr steil sind und
in einem eindeutigen zeitlichen Zusammenhang mit den
Nulldurchgängen der Signale I stehen. Die zwischen einem jeden solchen Nulldurchgang und der zugehörigen
steigenden Impulsflanke auftretende zeitliche Verzögerung s ist in Eig. 4 sehr stark übertrieben dargestellt.
Tatsächlich ist sie so klein, daß eventuell auftretende kurzzeitige Schwankungen dieser Verzögerung
die Genauigkeit des Meßergebnisses nicht beeinflussen.
Da.dasselbe auch für die an den Puffer-Invertern 74 auftretenden Signalverzögerungen gilt, kann das am
Ausgang des zweiten Inverters 74 auftretende Signal
K1 dem Signal K am Ausgang des Komparators gleichge-
BAD -
setzt werden. Die steigenden Flanken der Rechtecksimpulse κ' stellen also den optischen Schwerlinien 60
der Markierungsstreifen 12 eindeutig und zumindest kurzzeitig exakt reproduzierbar zugeordnete ideale Marken
dar, deren Zeitabstände A TL^ bei gegebener Winkelge— ;
schwindigkeit des Markierungsträgers ein genaues Maß für '
die Absolutwerte der Winkelabstände dieser optischen Schwerlinien
bilden. Sind umgekehrt diese absoluten Winkelab- ;
stände bekannt, so kann aus den Meßwerten .^T.„ die momen-
tane Winkelgeschwindigkeit <w(t) des Markierungsträgers ;
5 sehr genau berechnet werden.
Eine zur hochgenauen Messung der Zeitabstände A1?*./*
A T/j ν un(3· Λθ«ν bevorzugte Zeitmeßeinheit 30 ist in Fig. 5
schematisch dargestellt. Sie basiert auf dem Prinzip, daß einerseits zur Ermittlung von Zeit-Grobmeßwerten die Schwingungsperioden
eines freilaufenden, quarzgesteuerten Oszillators 78 mit Hilfe eines Zählers 79 abgezählt werden. Da dies
als alleiniges Meßverfahren entweder einen sehr hochfrequent
schwingenden Oszillator erfordern oder aber nur zu relativ ungenauen Meßergebnissen führen würde, sind andererseits
zusätzlich die zeitliche Lage der Signale, deren Zeitabstände bestimmt werden sollen, innerhalb einer Oszillatorperiode
erfassende Messungen vorgesehen.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, müssen dabei
Zeitabstände sowohl zwischen Signalen gemessen werden, die alle jeweils an einem der Meßfühler auftreten, d.h. also
zu Markierungen derselben Gruppe gehören, als auch zwischen Signalen, von denen jeweils das eine von dem einen Meßfühler
130047/0348
-!-iWVi ; ΙΛ,ϊί
301848?
— /3 ""
15 und das andere von dem anderen Meßfühler 20 stammt.
Die Zeitabstände der ersten Art werden im vorliegenden Zusammenhang
mit A T04.« bzw* Λ Trty bezeichnet, wobei der
erste Index die zugehörige Markierungsgruppe kennzeichnet
und der zweite ein Zählindex ist, während die Zeitabstände der zweiten Art mit AOu^ symbolisiert werden, wobei
M für die entsprechende, identifizierte Markierung der einen und ν für die zugehörige identifizierte Markierung
der anderen Gruppe steht. . -. .
Zur Erfassung der oben erwähnten Grobmeßwerte genügt es, einen die Schwingungsperioden des quarzgesteuerten Oszillato s
78 (Fig. 5) abzählenden Zähler vorzusehen, aus dem unter Regie der Abiaufsteuerung 80 immer dann der nächste Zählwert
in den Rechner und Speicher 81 ausgelesen wird, wenn einer
der beiden Geber 28,29 ein Signal abgibt.
Der Rechner und Speicher 81 ist über die Leitungen 111 und
121 ebenfalls mit den Gebern 28 und 29 verbunden und kann daher erkennen, ob der ausgelesene Zählwert zu einem Markierungssignal
der ok- oder der /S-Gruppe gehört oder ob
beide:Geber 28,29 innerhalb der vorausgehenden Oszillatorperiode
ein Signal abgegeben haben. Der letztere Fall kann ja, wie bereits erwähnt, ohne weiteres auftreten, da die
beiden Meßfühler 15 und 20 immer wieder Winkelstellungen
einnehmen können, in denen an ihnen exakt oder nahezu
gleichzeitig jeweils eine Markierung aus der Gruppe <?C bzw./3
vorbeiläuft.
Dieser. Umstand hat zur Folge, daß erfindungsgemäß zur Ermittelung
der Zeitfeinmeßwerte für jeden Geber 28,29 eine
1 30047/03-48
BAD ORIGINAL
eigene Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 8 8 bzw. 98 mit
den zugehörigen Zusatz schaltungein vorgesehen wird, da eine
Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung alleine während des Ausmessens
des Zeitabstandes eines beispielsweise vom Geber 28 stammenden.Signals bis zur nächsten steigenden Oszillatorimpulsflanke
und auch während einer darauffolgenden Totzeit nicht in der Lage ist, das Auftreten eines weiteren
Signals am Geber 29 zu erkennen und dessen Zeitabstand bis zur nächsten Oszillatorimpulsflanke zu bestimmen.
pie erfindungsgemäße Zeitmeßeinheit 30 umfaßt daher für die
Zeitfeinmessungen zwei getrennte Kanäle, von denen jeder jeweils einem· der beiden Meßfühler 15,20 bzw. Geber 28,29
nachgeschaltet ist. Da der Aufbau dieser beiden Feinzeitmeßkanäle identisch ist, genügt eine Beschreibung des dem
Geber 28 nachgeschalteten Kanals. Bei dieser Beschreibung
werden bei Bezugszeichenangaben die Bezugszeichen für die entsprechenden Schaltungseinheiten des zweiten Kanals
in Klammern gesetzt hinzugefügt.
Die zur Erfassung der Zeit-Feinmeßwerte vorgesehene Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88(98) umfaßt im wesentlichen
einen Kondensator, der nach Triggerung durch ein START-Signal mit Hilfe einer Konstantstromquelle geladen
wird, so daß die an ihm abfallende Spannung nach einer kurzen Anfangsphase mit der Zeit linear solange anwächst,
bis der Aufladevorgang durch ein STOP-Signal beendet wird.
Die Amplitude des nach dem STOP-Signal am Ausgang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung anliegenden Signals stellt
somit ein Maß für den zwischen dem START- und dem STOP-Signal verstrichenen Zeitraum dar.
130047/0348
Bei der Zeitmeßeinheit 30. gemäß Fig. 5 wird die Zeit/
Amplituden-Wandlerschaltung 88(98) nun so eingesetzt, daß sie durch die vom Geber 28(29) über das ODER-Gatter 84(94)
kommenden Signale gestartet und durch die nächste, hierauf folgende, steigende Flanke eines Oszillatorimpulses angehalten
wird. Dieses STOP-Signal wird ihr unter Kontrolle der Ablaufsteuerung 80 über ein zur Ausblendung der nicht
benötigten Oszillatorimpulse dienendes UND-Gatter 85(95} ein ODER-Gatter 86(96) und ein Verzögerungsglied 87 (97)
zugeführt, dessen Bedeutung weiter unten noch genauer
erläutert wird*
Die Zeit/Ämplituden'-Wandlerschaltung 88(98) mißt also für
jedes Geber-Signal mit hoher Genauigkeit die um einen konstanten}
durch das. Verzögerungsglied 87(97) vorgegebenen Wert "CL verlängerte Zeit, die zwischen dem Auftreten der
steigenden Flanke dieses Geber-Signals und der nächsten stei
genden Impulsflanke des freilaufenden Oszillators vergeht.
Da der Zähler 79 den zugehörigen Grobmeßwert in digitaler Form liefert, ist es.zweckmäßig, auch die analogen Ausgangssignaramplituden
der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
88(98) zu digitalisieren, was mit Hilfe des Analog/Digital-'
Wandlers.-"92'(1.02.) geschieht. Die Berechnung
der interessierenden Zcitabstandsmeßwerte AT^h , 4T^i?
bzw. AGLv nimmt, dann die Rechen- und Speicherschaltung
vor.
Die Ablaufsteuerung 80, die beispielsweise als Johnson-Zahler
aufgebaut sein kann, übt neben der bereits erwähnten Steuerung der UND-Gatter 85 und 95 noch eine ganze Reihe von
weiteren Funktionen aus, die im folgenden noch im Zusammen-
13 00 47/0 34-8
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301§496
hang mit der Schilderung der übrigen Bestandteile der Zeitmeßeinheit 30 erläutert werden, soweit sie von wesentlicher
Bedeutung sind.
Von den übrigen Bestandteilen der Zeitmeßeinheit 30 ist
zunächst die START-STOP-Steuerung 82 zu nennen, die über die
ODER-Gatter 84(94) bzw. 86(96) START- bzw. STOP-Signale
an die entsprechenden Eingänge der Zeit/Amplituden-fifandler-.
schaltung 88(98) abgeben kann. Dabei lassen sich grundsätzlich zwei verschiedene Funktionsarten unterscheiden,
je nach dem, ob mit Hilfe dieser intern erzeugten START-STOP-Signale
die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88(98)
durch Vergleich mit dem vom quarzgesteuerten Oszillator 78 gebildeten Frequenznormal nachgeeicht oder ob zur Eliminierung
von Laufzeitunterschieden und Nichtlinearitäten ein Korrekturwert erzeugt werden soll.
Im ersten Fall erhält die START-STOP-Steuerung 82 von der Ablaufsteuerung 80 über den Eingang El (E3)
ein Befehlssignal, worauf sie zunächst über die Leitung
112(122) ein START-Signal abgibt, das genau mit der ihr
über die Leitung 120 zu geführten Oszillatorschwingung
synchronisiert ist, beispielsweise genau mit der fallenden Flanke eines der vom quarzgesteuerten Oszillator 78
abgegebenen Rechtecksimpulse zusammenfällt. Beispielsweise eine Halbperiode der Oszillatorschwingung später, d.h.
also bei der nächsten steigenden Impulsflanke liefert die
Steuerung 82 dann ein STOP-Signal über die Leitung 113(123),
so daß es möglich wird, den in der Zwischenzeit erzeugten Amplitudenwert des Ausgangssignals der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
88(98) mit der sehr genauen und konstanten:
130047/0348 BAD ORIGINAL
3Ql8496
Schwingung des Quarzoszillators zu vergleichen. Dieser Vergleich kann auch mit mehreren Halb- oder Vollperioden
erfolgen. Darüber hinaus ist es möglich, die Anzahl der Von Eichmessung zu Eichmessung herangezogenen Oszillatorperiöden
zu variieren, so daß sich eine ganze Eichskala
für die. Ausgangsamplituden der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
88(98) ergibt.
Im zweiten Fall liefert die Ablaufsteuerung 80 ein Befehlssignal an den Eingang E2(E4) der START-STOP-Steuerung 82, wodurch
diese veranlaßt wird, auf den Leitungen 112(122) und
113(123) genau gleichzeitig ein START- bzw. STOP-Signal
abzugeben. Da das STOP-Signal durch das Verzögerungsglied
87 (97) um die Zeit ZT verzögert bei der Zeit/Amplitude)i-Wandlersctialtung
88(98) ankommt, erzeugt diese ein diesem ZeitraumV entsprechendes Ausgangssignal. Da die Zeit~C
gerade so gewählt ist, daß sie etwas langer als der Anlaufszeitraum ist, in dem das Ausgangssignal der Zeit/-Amplituden-Wandlerscha]tung
in nicht linearer Weise anwächst, stellt das so gewonnene Ausgangssignal einen
Korrekturwert dar, der geeignet ist, den Einfluß dieser Nichtlinearität aus einem gerade zuvor gewonnenen Meßoder
Eiehwert zu eliminieren. Auch werden durch diesen Korrekt arwert Laufzeitunterschiede erfaßt, die eventuell
zwischen dem der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung das
START-Signal zuführenden Signalpfad und dem entsprechenden
STOP-Signaüpfäd aufgrund parasitärer Effekte
vorhanden sind.
Jeder dieser Meßwerte Λ wurde ja so gewonnen, daß die Zeit/
Amplituden-Wandlerschaltung 88(98) nicht nur während des
1:10047/0348 BAU ORIGINAL· ' -
3019498
auszumessenden Zeitraums A t sondern auch noch während
der zusätzlichen Zeitspanne ZT im Betrieb war. Wenn diese
Zeitspanne Z7 auch am Ende der jeweiligen Meßzeit At + "C*
angehängt wurde, so enthält durch die spezielle Wahl von 77 doch jeder Meß- bzw. Eichwert A am Ausgang der
Zeit/Amplituden-Wandlerschaltunj 88(98) einen während
der ersten "C Zeiteinheiten gewonnenen im wesentlichen nichtlinearen Anteil a und eineα anschließend gewonnenen,
zum eigentlich interessierenden Zeitraum At streng
proportionalen Anteil A A:
A = a + A A
ι ■ ■ " - -
wobei zunächst die Größe dieser beiden Anteile nicht bekannt
ist. Daher wird unter Regie der Ablaufsteuerung 80 der Meßwert A, der ein Zeitabstands- oder ein Eichmeßwert sein kann,
zunächst in einer ersten (drittan) Sample-and-Hoid-Schaltung
89(99) gespeichert. Sofort danach wird die Zeit/
Amplituden-Wandlerschaltung 88(98) in den Ausgangszustand zurückgesetzt und von der Ablaufsteuerung 80 ein Befehlssignal an den Eingang E2(E4) der START-STOP-Steuerung
82 gegeben, die dann in der oben beschriebenen Weise gleich- ·
zeitig ein START- und STOP-Signal über die Leitungen 112(122) und 113(123) abgibt, wodurch die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
88(98) veranlaßt wird, über den Zeitraum "C hinweg genau den. zu obig sr Gleichung gehörenden im
wesentlichen nichtlinearen Anteil a zu erzeugen. Dieser Anteil a wird dann unter Steuerunj der Ablaufsteuerung 80 in
eine zweite (vierte) Sample-and-Hold-Schaltung 90(100)
übernommen, worauf ein Differenzverstärker 91(101) gemäß
A - a = A A
den zum eigentlich interessierenden Zeitraum A t streng j
proportionalen Wert A. A errechnen und an den Analog/Digitäl-Wandler
92(102) weitergeben kann. . ι
130047/0348 '
BAD ORIGINAL
Diese Abläufe sind in den Fig. 6 und 7 in Form von Signal-Diagrammen
nochmals zusammengefaßt dargestellt.
;InFigv 6 sind über einer Zeitskala in der obersten Zeile
zwei voll Geber 29 abgegebene Impulse dargestellt, die, da der
Geber 29 dem die Markierungsgruppe ot abtastenden Meßfühler
15 nachgeschaltet ist (Fig. 1) , der m-ten und m+1-ten
Markierung dieser Gruppe o^ zugeordnet sein sollen.
In den beiden darunterliegenden Zeilen GEB 28 (N) und
GEB 28 (M) sind die auf .diese Impulse des Gebers 29 jeweils unmittelbar folgenden Impulse η und n+T des Gebers 28, der
dem die Markierungsgruppe fi> abtastenden Meßfühler 20 nachgeschaltet
ist (Fig. 1), in zwei verschiedenen Zeiträumen
dargestellt, nämlich einmal in dem Zeitraum N, in dem der
Nullpunkt der Winkelmessung festgelegt und durch Bestimmung der betreffenden Winkelabstände ^iav ^ie den winkelmäßigen
Anschluß zwischen den beiden Markierungsgruppen </.und/3
herstellende Wertetabelle ermittelt wird, und zum anderen in einem Zeitraum M, in welchem durch entsprechende Messungen
eine von der Nullage abweichende Winkelstellung '_;■: Φ'(M) der beiden Körper 2 und 3 bestimmt werden soll.
Der obersten Zeile GEB 29 (N,M) kommt, in Fig. 6 in Verbindung
mit, den beiden Zeilen GEB 28 (N) und GEB 28(M)
also eine doppelte Funktion zu, nämlich die relative Lage der von den beiden Gebern 28 und 29 stammenden Impulse
in zwei verschiedenen Zeiträumen (damit selbstverständlich
auch für verschiedene Umdrehungen des Markierungsträgers
5). und in zwei verschiedenen WinkelStellungen der beiden
Körper 2 und 3 darzustellen. Durch diese Verklammerung der ganz verschiedenen Zeiträume N (Nullpunktsbestimmung)
und M (Messung der neuen Winkellage) vermittels der einen
Zeile GEB 29 .(M",N) ergibt sich aus rein darstellungstech-
1 30047/034
3018498
nischen Gründen die Voraussetzung, daß die Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers in diesen beiden Zeiträumen
dieselbe ist ( co (N) = co (M)) . Es sei hier ausdrücklich darauf
hingewiesen, daß diese Bedingung im allgemeinen Fall nicht erfüllt sein muß, da beim erfindungsgemäßen Verfahren
anders als bei dem über einer Zeitskala aufgetragenen Diagramm der Fig. 6 nicht die in verschiedenen Zeiträumen
gemessenen Zeitabstände sondern die sich aus diesen Zeitabständen durch Multiplikation mit der jeweils gerade
herrschenden Winkelgeschwindigkeit c^>
des Markierungsträgers 5 ergebenden und somit von CO unabhängigen Winkel gemäß
Gleichungen (1) miteinander in Beziehung gesetzt werden.
Dennoch wurde die in obigem Sinn etwas einschränkende Darstellungsweise
für Fig. 6 gewählt, weil sich mit ihr sehr deutlich zeigen läßt, daß sich bei der Bestimmung der Winkellage
(S (M) für aufeinanderfolgende "gemischte" Markierungspaare m,n und m+1, n+1 ganz verschiedene Zeitabstände 4 θ
und A θ +1 +1 ergeben können, weil aufgrund der mit geringem
Aufwand betriebenen Herstellung des Markierungsträgers 5 die Abstände der Markierungen m und m+1 einerseits und η und
n+1 andererseits ganz unterschiedlich sind.
Dennoch ergeben sich für die hier als während des Zeitraums
M unveränderlich vorausgesetzte, auszumessende Winkellage (U (M) zwei gleiche Meßwerte ^1(M) und J>
(κ) , weil die gespeicherten Winkelabstände <P und Φ 1 ^- die vorhandenen
Unregelmäßigkeiten in der Teilung der beiden Gruppen oc und /1 richtig wiedergeben.
In der vierten Signalzeile OSZ 78 (M) von Fig. 6 sind die
im Zeitraum M auftretenden Ausgangsimpulse des frei laufenden quarzgesteuerten Oszillators 78 dargestellt, der mit
der Periode jQ. schwingt.
130047/0348
3Q1849S
Darunter zeigt Fig. 6 die zur Bestimmung der interessierende!
Zeitabstände tatsächlich erfaßten Werte, nämlich die als Zeitfeinmeßwerte mit Hilfe der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen
88 und 98 (Fig. 5) zu messenden Zeitabstände 4 t,
^t2, 4to ünd^t. zwischen den Geberimpulsen m,nr m+1 und
n+1 und der jeweils unmittelbar nächsten,steigenden Oszillatorimpulsflänke
und die mit Hilfe des Zählers 79 (Fig. 5) ermittelten, zugehörigen Zählwerte z«, Z2, Z3 und z,.
Wie sich aus Fig. 6 unmittelbar ergibt, lassen sich die
zunächst interessierenden "gemischten" Zeitabstände A θ*»ν
aus den direkt gemessenen Werten nach folgenden Gleichungen berechnen.
= U2 - Zi)il+ ZIt1 -At
Ebenso unmittelbar ergibt sich aus Fig. 6,. daß diese
"gemischten" Zeitabstände mit den interessierenden Winkelmeßwerten
Φ 1 . (M) und <p „ (M) durch folgende Beziehungen
verknüpft sind: '"'...
mn
fi (M) + f.
= f 2(M) + fm+1,n+1
= f 2(M) + fm+1,n+1
Man sieht, daß sich aus diesen Gleichungen durch einfache
umformung die Gleichungen (1) ergeben.
.130-047703*8 BAD ORIGINAL
-82- 3018436
Die in Fig. 6 ebenfalls dargeste Llten Zeitabstände Δτ.
c< πι
und Δ "^. genügen den folgenden Beziehungen:
A Φ = (-7 - 7 ί 0+ 4 f —
o< m J 1 *■ I
(Z4 -
und können mit Hilfe der entsprechenden, gespeicherten
Eichwerte zur Bestimmung der momentanen Winkelgeschwindigkeit herangezogen werden:
<M) ■
Ji
c*. m
T fln
Es ist klar, daß es prinzipiell genügt, die Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers mit Hilfe nur einer
Markierungsgruppe c^ oder A zu überwachen.
In jedem Fall zeigt Fig. 6 deutlich, daß sämtliche zur Bestimmung
der momentanen Winkellage φ (M) erforderlichen Werte aus den Feinzeitmeßwerten Δ t und den Zählwerten
ζ (r = 1,2 ,3. ..) gewonnen werden können.
Da es, wie bereits erwähnt, nicht genügt, daß die momentane Winkelgeschwindigkeit CJ>
(M) des Markierungsträgers 5 während der Bestimmung der "gemischten" Zeitabstände Λ Q^ ^ gemessen
wird, sondern während dieser Zeiträume tatsächlich konstant sein muß, werden dann zum Beispiel für den "gemischten"
13004 7/0348 BAD
-83 - 3018498
Zeitabstand Δ θ ,.. ... die durch Messung der markierungsgruppeninternen
Zeitabstände 4T und Δ Τ L„(letzterer
in Fig.. 6 nicht mehr dargestellt) ermittelten Winkelgesdhwindigkeitswerte
zur überprüfung der Konstanz dieser Winkelgeschwindigkeit herangezogen.
Zeigt sich, daß die Winkelgeschwindigkeit in den betreffenden Zeiträumen konstant war, so wird dieser Meßwert zur
Berechnung des zugehörigen Winkelabstandes cf>
(M) verwendet..
Zur Steigerung der Meßgenauigkeit kann man dann gemäß der Erfindung zum Beispiel vorgeben, daß 50 oder
100 solcher Werte gebildet und aus ihnen der Mittelwert
errechnet werden soll. Je nach dem, ob sich in dem betreffenden Zeitraum M die Winkelgeschwindigkeit des
Markierungsträgers mehrfach oder gar nicht ändert, werden
dann diese 50 oder 100 Meßwerte etwas langsamer oder auch sehr schnell erfaßt.
Fig. 6 zeigt weiterhin, daß der Zähler 79 die Impulse des Oszillators 78 fortlaufend zählt (Zählwerte zr). Da die
Zählkapazitätdes Zählers 79 nicht unbegrenzt groß ist,
muß er spätestens nach Erreichen eines maximalen Zählwertes mit der Abzählung wieder von vorne beginnen. Bei
diesem Zurücksetzen kann der Anschluß zu den vorausgehender
Zählwerten ζ verlorengehen, so daß es zweckmäßig ist,
dafür zu sorgen,; daß der Zähler 79 immer nur dann zurückgesetzt wird, wenn gerade keine interessierenden Zeitabstände
ausgemessen werden. Wenn sich die Winkellage der beiden Körper 32 häufig ändert, kann es geschehen, daß
kein zum Zurücksetzen des Zählers 79 geeigneter Zeitraum
1:5 0 04 7/0348 BAD ORIGINAL
3018481
zur Verfügung steht. In diesem Fall wird es zweckmäßig
sein, die in Fig. 5 wiedergegebene Zeitmeßeinheit 30 in der Weise abzuändern, daß ein zweiter die Impulse des
Oszillators 78 abzählender Zählar vorgesehen wird. Jeder
dieser beiden Zähler wäre dann ainer Markierungsgruppe cf~ bzw. Λ zugeordnet und würde zum Beispiel zwangsläufig
immer dann auf Null zurückgesetzt, wenn die Null-Markierung der betreffenden Gruppe am Meßfihler vorbeiläuft. Aus der
Kenntnis der Anzahl der in jeder Markierungsgruppe «<. und ß
vorhandenen Markierungen könnte dann aber der Rechner und Speicher 81 immer die zur Bildung der "gemischten'1 Zeitabstände
erforderliche Korrelation zwischen den Zählwerten der beiden Zähler herstellen.
Die Gewinnung der in Fig. 6 dargestellten Fexnzextmeßwerte
^\ t soll im folge]
dargestellt werden.
dargestellt werden.
t soll im folgenden nun im Zusammenhang mit Fig. 7
In Fig. 7 sind in der obersten Zeile I zwei Signale wiedergegeben,
wie sie z.B. im Geber 28 am Punkt I entstehen, wenn am Meßfühler 20 der Reihe nach zwei Markierungen,
beispielsweise die jr.-te und die n+1-te Markierung der
Gruppe y3 vorbeilaufen. Die Nulldurchgänge der zwei Signale
I stellen die aus den realen Markierungen abstrahierten idealen Marken dar, deren Zaitabstand Λ T_ ^ ausgemessen werden soll.
In der zweiten Zeile zeigt Fig. 7 die am Ausgang des ODER-Gatters
8 4 erscheinenden Impulse. Dies sind zunächst einmal die zwei jeweils den Signalen I zugeordneten Impulse,
die über die Leitung 114 vom Geber 28 an das Gatter 84 gelangen
und von diesem weitergegeben werden. Die steigenden Flanken dieser Impu '■ se sind um s gegen die Nulldurchgänge
der Signale I verzögert, doch ist diese Verzögerung - anders als dargestellt - außerordentlich klein und spielt auch bei
130047/0348
ν-— TI
BAD OFUGi^ '■
einer angestrebten sehr hohen Meßgenauigkeit keine Rolle, da sie über die kurze ZtIt. ^T. .als konstant angenommen
werden kann.
Zur Ermittelung von A ΪΛ -Λ ist es also ohne Fehler möglich,
( f
die Zeitabstände der steigenden Flanken der in Rede stehenden
Impulse am Ausgang des Gatters 84 zu messen.
Da diese dem Gatter 84 vom Geber 28 zugeführten Impulse über
die Leitung 111 auch an den Zähler 79 und die Ablaufsteuerung
SO gelangen, kann aus dem Zähler 79 der nach dem ersten
dieser zwei- Impulse erreichte Zählwert ausgelesen werden.
Gemäß Fig. 7, in deren dritten Zeile von oben die Rechtecksimpulse
des Oszillators 78 dargestellt sind, ist dies der Zählwert ζ + 2.
In entsprechender Weise wird nach dem zweiten Geberimpuls
aus dem Zähler 79 der Zählwert ζ + 6 ausgelesen.
Somit erhält man für den interessierenden Zeitabstand :&-T' den Örobmeßwert
wenn Xi. die Periodenlängen der Oszillatorschwingung ist.
Aufgrund der hier angenommenen Tatsache, daß zwischen den einzelnen Geberimpulsen nur wenige Oszillatorimpulse auftreten,
ist dieser Grobmeßwert jedoch nicht geeignet, den interessierenden Zeitabstand A T mit hinreichender
Genauigkeit darzustellen. '
Daher wird gleichzeitig mit der steigenden Flanke eines
jeden einem Gebersignal entsprechenden Ausgangsimpulses
des Gatters 84 die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 gestartet, deren Ausgangssignal, wie in der untersten
Zeile von Fig. 7 dargestellt, zunächst in nichtlinearer
Weise, spätestens aber nach der Zeit "V streng proportional
mit der. Zeit anwächst.
1^0047/0348
Die auf die steigenden Flanken der vom Geber 28 stammenden
Impulse am Ausgang des Gatters 84 jeweils unmittelbar folgenden steigenden Impulsflanken des Oszillators 78 sind in Fig.
7 mit den Zählwerten ζ + 2 und ζ + 6 gekennzeichnet und besitzen von den ersteren die als Zeit-Feinmeßwerte interessierenden
Zeitabstände Zi t.. und At3. Die eben genannten
steigenden Impulsflanken des Oszillators 78 werden über die
Gatter 85 und 86 an das Verzögerungsglied 87 gegeben, das, wie in der zweiten Zeile von unten in Fig. 7 dargestellt,
mit der vorbestimmten Verzögerungszeit ZT einen STOP-Befehl
an die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 weitergibt*
Somit stehen am Ausgang der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
zu den Zeiten A t.. + ~C und At3 + ~ die Amplituden A.
und A3 zur Verfügung, die jeweils in die zuvor gelöschte
erste Sample-and-Hold-Schaltung 89 eingegeben werden.
Gleichzeitig wird die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung
88 auf ihren Ausgangspegel zurückgesetzt.
Mit der jeweils .nächsten fallenden Oszillatorimpulsflanke
erzeugt nun die über ihren Eingang E2 von der Ablaufsteuerung
80 aktivierte START-STOP-Steuerung 82 gleichzeitig einen START- und einen STOP-Impuls.
Der START-Impuls erscheint am Ausgang des Gatters 84 praktisch
ohne Verzögerung, wie dies in Zeile 2 der Fig. 7 dargestellt ist und bewirkt das in der untersten Zeile dieser
Figur dargestellte erneute Ansteigen des Ausgangssignals
der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88.
130047/0 348
Der STOP-Impuls durchlauft die Verzögerungsschaltung 87 und
erscheint mit der Verzögerung 77 an deren Ausgang. Nach jeder
Meßwerterfassung wird also die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nochmals für die Zeit "C in Betrieb gesetzt, was
zur Erzeugung der in dar untersten Zeile der Fig. 7 ebenfalls
dargestellten Korrekturwerte a1 und a-, führt.
Diese Korrekturwerte worden jeweils in die zweite Sampleand-Höld-Schaltung
90 eingegeben und durch den Differenzverstärker 91 von den in der ersten Sample-and-Hold-Schaltung
jeweils gerade enthaltenen Meßwerten A. bzw. A3 subtrahiert,
so daß nach den Gleichungen
■= Δ
- a3 =
in den Änalog/Digitaiwandler 92 die zu den interessierenden
Zeit-Feinmeßwerten Al-« und A t^ streng proportionalen
Amplitudenwerte eingegeben werden.
Hieraus kann der Rechner und Speicher 81 dann die Zeit-Feinmeßwerte
bestimmen und gemäß der Gleichung
den gesuchten Zeitabstand A T_ " berechnen.
BAD ORIGINAL
3018491
Es sei hier darauf hingewiesen, daß sich so gewonnene Zeitabstände 4 T« n ( ^ ΤΛ *+Λ # ···■ zwischen aufeinanderfolgenden
Markierungen einer Gruppe aufsummieren lassen, ohne daß es zu einer Summierung der Meßfehler kommt. Aus
der obigen Gleichung folgt nämlich
" »«&+ 4 t3
Man sieht, daß hier mit Ausnahme von A t. sämtliche mit
Meßfehlern behaftete Feinzeitmeßwerte A t,, A -tr ...
herausfallen, so daß. sich ihre Fehler nicht summieren können.
Die die Messung der Korrekturwecte a1, a, ... einleitenden
intern erzeugten START-Imputse müssen nicht unbedingt in der dargestellten Weise zeitlich mit den fallenden Oszillator
Impulsflanken korreliert sein, die unmittelbar auf die
die Aufnahme der Meßwerte A. , Α., beendenden steigenden
Oszillatorimpulsflanken folgen. Wesentlich ist nur, daß
sie so rechtzeitig nach der jeweils vorausgegangenen Meßwerteerfassung
erzeugt werden, laß der durch sie erhaltene
Korrekturwert a... , a-, ... ein vernünftiges Maß für den
im zugehörigen Meßwert enthaltenen im wesentlichen nichtlinearen Anteil darstellt. Außerdem muß dafür gesorgt sein,
daß die Korrekturwerteerfassung abgeschlossen ist, bevor die nächste Meßwert- bzw. Eichw-srterfassung beginnt.
130047/0348
3Q18496
Weiterhin ist in Fig. 7 eine im Zeitraum 4 Tn stattfindende
Ei chwerter fassung zum Niicheichen der Zeit/Amplituden-Wandlt>r
schaltung 88 mit Hilfe des Quarzoszillators 78 dargestellt.
Zu diesem Zweck erzeugt die über den Eingang E1 von der Ablauf steuerung 80 getriggerte START-STOP-Steuerung 82 zunächst
einen START-Impuls, der exakt mit dem Ausgangssignal
des Oszillators 78 synchronisiert ist. In Fig. 7 ist dies der dritte Impuls von links in der Zeile G 84.
Ebenso exakt mit dem Oszillatorsignal synchronisiert gibt
die STÄRT-STOP-Steuerung 82 um eine vorgegebene Anzahl von
Oszillatorhalb- oder-vollperioden verzögert ein STOP-Signal
über die Eeitung 113 ab. In Fig. 7 ist der einfacheren Darstellung
halber angenommen, daß der STOP-Impuls genau eine Quarz-Halbperiöde nach c.em START-Impuls erzeugt wird. Er
durchläuft ebenfalls das Verzögerungsglied 87, so daß also die Zeit/Amplituden-Wancllerschaltung nach der Zeit A/2 + "C
angehalten wird; an ihrem Ausgang liegt dann ein Signal mit der Amplitude Ag an, das wie ein normaler Zeitmeßwert
zunächst in der ersten Sample-and-Hold-Schaltung 89 zwischen gespeichert
wird. Hierauf wird durch Ansteuerung des Eingang ; E2 der STARI-STÖP-Steuerung 82 in der gleichen Weise, wie
dies oben für die Zeitmeßwerte beschrieben wurde, ein Korrekturwert
a„ erzeugt, so c'aß der Differenzverstärker 91 den
eigentlich interessierenden Eichwert Λ Ag erzeugen kann,
der dann ebenfalls digitalisiert und vom Rechner und Speicher 81 weiter verarbeitet wird.
13 004 7/0348 BADORIGINAt'
3018491
Da allgemein zwischen aufeinanderfolgenden Geberimpulsen
eine genügend große Anzahl von Oszillatorimpulsen auftritt,
ist es innerhalb jedes Zeitraumes Δ T^ .v mö.glich,
eine Nacheichung der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung 88 in der eben beschriebenen Weise vorzunehmen.
Entsprechende Funktionen laufen auch für die zweite Zeit/-Amplituden-Wandlerschaltung
98 ab, die also ebenfalls ständig mit Hilfe des quarzgesteuerten Oszillators 78 nachgeeicht
wird und deren Meßwerte ebenfalls durch Beseitigung des nichtlinearen Anstiegs^, teils korrigiert werden.
In Fig. 8 ist eine etwas andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Meßanordnung wiedergegeben. Dabei sind die den in Fig. 1 dargestellten Teilen entsprechenden Teile
mit demselben, jedoch mit einem Apostroph versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der wesentlichste Unterschied
zur Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß hier
der Markierungsträger 51 aus einem Kreiszylinder besteht,
auf dessen äußerer Mantelfläche die sich in ihrem Licht-Relexionsvermögen
von den sie unmittelbar umgebenden Bereichen des Markierungsträgers unterscheidenden Markierungen
12' in zwei Gruppen ©t1 und ß1 angeordnet sind. Auch diese
Markierungen bestehen aus länglichen Streifen, die sich im
wesentlichen senkrecht zur Drehrichtung R1 des Markierungsträgers 5', d.h. hier also im wesentlichen parallel zu den
Mantellinien des Zylinders 51 erstrecken. Auch hier sind die
beiden Markierungsgruppe oC1 und ß' räumlich voneinander
getrennt und werden jeweils durch eine Abtastvorrichtung 14' bzw. 19', hier jedoch im Auflichtverfahren abgetastet.
130047/0348 BAD. ORIGINAL ' .
Leerseite
Claims (1)
- Verfahren und .Vorrichtung zur Messung eines WinkelsPatentansprücheVerfahren zur Messung des Winkels, den zwei um eine Drehachse gegeneinander verdrehbare Körper bezüglich dieser Drehachse miteinander einschließen, wobei auf einem sich drehenden Markierungsträger in Drehrichtung voneinander beabstandet angebrachte Markierungen mit Hilfe von Meßfühlern abgetastet werden, die beim Vorbeilaufen der Markierungen jeweils eine Folge von je einer Markierung ' entsprechenden Signalen abgeben, dadurch g e k e η η ze i c h net , daß der an dem einen der beiden Körper um die gemeinsame Drehachse der Körper drehbar befestigte Markierungsträger für eine ständige, von Drehbewegungen der beiden Körper unabhängige Rotation angetrieben wird, daß Zeitabstände zwischen identifizierten Markierungen zugeordneten Signalen wenigstens eines an demselben Körper wie der Markierungsträger starr befestigten Meßfühlers und identifizierten Markierungen zugeordneten Signalen wenigstens eines an dem anderen Körper starr befestigten Meßfühlers gemessen werden und daß aus diesen130047/0348ZUGELASSENE VERTRETER:BEIM EUROPÄISCHEN PATIiNTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE: EUROPEAN PATENT OFFICE MANDATAIRES ÄGR6ES PRtS LOFFICE EUROPEEN DES BREVETSURI «C STRASSER, INNERE WIENER STR. 8, S MUNCHEN'80, TEI.. (089) I \0 J? STADTSPARKASSE MÖNCHEN, KONTO-NUMMER 83-13 23 16 (BLZ 70! 5n>; POSTSCHECKKONTO MÖNCHEN 24 81 - 800 (BLZ 700 100 80)Zeitabstandsmeßwerten, aus der momentanen Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers und aus den bekannten Winkelabständen der zur Bildung der jeweiligen Zeitabstandsmeßwerte herangezogenen Markierungen der gesuchte Winkel errechnet wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η..-■ . ze.ichnet, daß jeder der Meßfühler eine eigene Gruppe von Markierungen abtastet, die auf dem Markierungsträger von der anderen Gruppe räumlich getrennt angeordnet ist.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Identifizierung der einzelnen Markierungen innerhalb der jeweiligen Gruppe mit Hilfe von in dieser Markierüngsgruppe vorhandenen Asymmetrien erfolgt.4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -, zeichnet, daß mit Hilfe von Asymmetrien in jeder Markierüngsgruppe nur eine Markierung identifiziert wird, die dann als Nullmarkierung bei der durch Abzählen der zugehörigen Meßfühlersignale erfolgenden Identifizierung der übrigen Markierungen dieser Gruppe dient.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ^- . zeichnet, daß eine der Markierungen dadurch als Null-Markierung festgelegt wird, daß sie sich in ihrer Länge.und/oder Breite von der Länge und/oder Breite der übrigen Markierungen wesentlich unterscheidet.130047/0348. 301848 efr... Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t ,daß für jede der Markierungsgruppen die Zeitabstände aller während wenigstens einer Umdrehung aufeinanderfolgenden Meßfühlersignale gemessen und als Asymmetrien die dabei festgestellten, einander nicht exakt gleichen Winkelabstände der Markierungen ausgewer- - tet werden.7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k. e η n. -ζ ei ch η e t , daß in jeder Markierungsgruppe eine der Markierungen dadurch als Null-Markierung festgelegt wird, daß der Winkelabstand zu einer ihrer unmittelbaren Nachbarmarkierungen sich wesentlich von den Winkelabständen aller anderen einander unmittelbar benachbarten Markierungen unterscheidet.8. Verfahren nach einem der.Ansprüche 1 bis 7, dadurch --"."-""■ g e k eh η ζ e ich η et , daß in einem Eichlauf die Zeitabstände zwischen allen während einer vollen Umdrehung des Markierungsträgers auftretenden, unmittelbar aufeinanderfolgenden Signalen sowohl an dem einen als auch an dem anderen Meßfühler gemessen, die so erhaltenen Meßwerte mit der Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers multipliziert und die so ■ erhaltenen Eichwerte für die Winkelabstände innerhalb einer jeden Markieruiigsgruppe unter Beibehaltung der Zuordnung zu den zu diesen Signalen gehörenden, identifizierten Markierungen gespeichert werden.130 047/03489. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η .zeichnet , daß ein Eichlauf wenigstens zwei volle Umdrehungen des Markierungsträgers umfaßt, daß die Zeitabstände der während der ersten dieser beiden Umdrehungen unmittelbar aufeinanderfolgenden Signale sowohl an dem einen als auch an dem anderen Meßfühler zunächst nur zwischengespeichert und mit den zugehörigen, während der wenigstens zweiten Drehung gemessenen Zeitabständen verglichen werden und daß bei einer Übereinstimmung der Vergleichswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen der Kehrwert wenigstens eines währenddieser Umdrehungen gemessenen Zeitabstandes zwischen zwei« von ein und derselben Markierung an einem Meßfühler hervorgerufenen, einer vollen Umdrehung des Markierungsträgers entsprechenden Signalen als Maß für die momentane Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers verwendet wird, mit der die zwischengespeicherten Zeitabstandswerte multipliziert und dann als Eichwerte längerfristig gespeichert werden. .10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichlauf zur ständigen Nacheichung wiederholt wird.11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch g e k e η η zeich ■ net, daß ein Eichlauf immer dann durchgeführt wird,wenn die beiden Körper nach einer Drehbewegung eine neue Ruhelage eingenommen haben und daß erst nach diesem Eichlauf die Ausmessung der neuen Winkelstellung erfolgt.12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß durch Messung wenigstens eines Zeitabstandes zwischen einem an demeinen Meßfühler durch eine identifizierte Markierung der einen Gruppe hervorgerufenen Signal und einem an dem anderen Meßfühler durch eine identifizierte Mar-130047/0348kierung der anderen Gruppe hervorgerufenen Signal und Berücksichtigung der momentanen Winkelgeschwindigke i l: des Markierungsträgers der auf den durch die momentane Winkelstellung der beiden Meßfühler definierten Nullpunkt der Winkelmessung bezogene Winkelabstand zumindest dieser beiden, zu den verschiedenen Gruppen gehörenden Markierungen ermittelt und längerfristig gespeichert wird.13.Verfahren nach Anspruch 12, dadurch ge k e η η ζ ei e h η et, daß aus dem auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabstand der beiden jeweils zu einer der Gruppen gehörenden Markierungen und aus den Eichwerten für die Absolutwerte der Winkelabstände der Markierungen jeweils innerhalb einer jeden Gruppe die auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabstände einer Vielzahl von Markierungen, von denen: immer die eine zu der einen und die andere zu der anderen Gruppe gehört, berechnet und längerfristig gespeichert werdenί14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 1-3, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß bei. jeder auf einen Eichlauf folgenden Umdrehung des Markierungsträgers an wenigstens einem der Meßfühler die Zeitabstände aller unmittelbar aufeinanderfolgender Signale gemessen und zur Ermittelung der momentanen Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers einzeln mit dem jeweils zugehörigen gespeicherten Eichwert verglichen werden.130047/0348BADORiGlNALfe— __15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der momentanen Winkelstellung.der beiden Körper wenigstens der Zeitabstand zwischen einem von einer identifizierten Markierung an dem einen Meßfühler hervorgerufenen Signal und dem unmittelbar nächsten, am anderen Meßfühler auftretenden, einer identifizierten Markierung zugeordneten Signal gemessenr mit der momentanen Winkelgeschwindigkeit multipliziert und der so erhaltene Winkelwert mit dem auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen, gespeicherten Winkelabstand dieser beiden Markierungen vorzeichenrichtig addiert wird.16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Zeitabstand zwischen dem der identifizierten ytt-ten Markierung der einen Gruppe zugeordneten Signal und dem unmittelbar nächsten, einer identifizierten Markierung der anderen Gruppe zugeordneten Signal nur dann zur Berechnung der momentanen Winkellage der beiden Körper herangezogen wird, wenn die anhand des Zeitabstandes zwischen den Signalen der (Λ—1)-ten und der M-ten Markierung der einen Gruppe gemessene Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers zumindest■ mit der anhand des Zeitabstandes zwischen den Signalen der (i«f1)-ten und der (Ä+2)-ten Markierung dieser einen Gruppe gemessenen Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen übereinstimmt.17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch g e k e η η zeichnet , daß eine Vielzahl von solchen Zeitabständen gemessen, auf den entsprechenden Winkel130047/0348 BAD ORiGINAU3018491umgerechnet und die so erhaltenen Winkelwerte miteinander verglichen werden.18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch g e k e η η ζ ei c.h η e t , daß aus einer Änderung der so erhaltenen Winkelwerte die Geschwindigkeit einer zwischen den beiden Körpern stattfindenden Drehbewegung errechnet wird.19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kenn ζ e i c h η et , daß an beiden Meßfühlern die zur Ermittelung der momentanen Drehgeschwindigkeit des Markierungsträgers erforderlichen - Messungen durchgeführt und die beiden so erhaltenen Drehgeschwindigkeitswerte miteinander verglichen werden und daß aus dabei festgestellten Abweichungen die Geschwindigkeit einer zwischen den beiden Körpern auftretenden Drehbewegung ermittelt wird.20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß für die verschiedenen Zeitabstandsmessungen die Impulse eines freilaufenden, quarzgesteuerten Oszillators abgezählt werden und daß beim Auftreten eines Signals an dem einen oder dem anderen Meßfühler der nach der steigenden Planke des nächsten Oszillatorimpulses erreichte Zähl-130047/03483018436wert ausgelesen und weiterverarbeitet wird.. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß zur Bestimmung der zeitlichen Lage der Meßfühlersignale innerhalb der jeweiligen Schwingungsperiode des Oszillators durch diese Signale jeweils eine dem betreffenden Meßfühler zugeordnete Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung gestartet und durch die steigende Flanke des nächsten Oszillatorimpulses angehalten wird.22. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung immer wieder dadurch nachgeeicht wird, daß sie durch eine Flanke eines Oszillatorimpulses gestartet und durch eine nachfolgende Oszillatorimpulsflanke angehalten wird und daß der so erhaltene Zeitmeßwert der Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung mit dem zwischen diesen beiden Oszillatorimpulsflanken liegenden Zeitraum verglichen wird.23. Verfahren nach Anspruch 21 öder 22, dadurch gekennzeichnet , daß das Anhalten der Zeit/-Amplituden-^Wandlerschaltung durch die steigende Flanke des entsprechenden Oszillatorimpulses bei jeder Zeitabstandsmessung und bei jeder Eichmessung mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung erfolgt und daß die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung nach jeder dieser130047/03 48Messungen durch ein schaltungsintern erzeugtes Startsignal gestartet und durch ein gleichzeitig mit diesem Startsignal erzeugtes, ebenfalls der vorbestimmten zeitlichen Verzögerung unterworfenes Stopsignal wieder angehalten wird und daß der so gewonnene Korrekturwert von dem vorausgehend gewonnenen Zeitmeßwert bzw. Eichmeßwert subtrahiert wird.24. Verfahren nach einem der Ansprüche T bis 23, dadurch /g e k ie η η ζ eic h net , daß durch jeden der .Meßfühler aus den auf dem Markierungsträger angebrachten realen Markierungen ideale Marken abstrahiert und deren Zeitabstände gemessen werden.25,Verfahren nach Anspruch 24, dadurch g e k e η η zeichne t ,daß der Durchgang eines aus dem vom Meßfühler beim Vorbeilaufen einer Markierung abgegebenen Signal abgeleiteten elektrischen Signals durch einen vorgegebenen konstanten Spannungspegel als ideale Marke dient.2&. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch g e k e η η zeichnet, daß als Meßfühler jeweils ein Differential-Fotoempfänger mit wenigstens einem nachgeschalteten differenzbildenden Glied Verwendung findet, und daß der Null-Durchgang des von dem differenzbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger erzeugten .13 0 047/03483010496Ausgangssignals als ideale Marke dient.27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß für jedes von dem dif fortbildenden Glied beim Vorbeilaufen einer Markierung am Differential-Fotoempfänger abgegebene Ausgangssignal ein Rechtecksimpuls erzeugt wird, dessen wenigstens eine Flanke in einem festen Zeitabstand zum Null-Durchgang des Ausgangssignals liegt und daß die Zeitabstände dieser Flanken gemessen und weiterverarbeitet werden.28. Vorrichtung zur Messung des Winkels, den zwei um eineDrehachse gegeneinander verdrehbare Körper bezüglich dieser Drehachse miteinander einschließen, mit einem sich drehenden, in Drehrichtung voneinander beabstandete Markierungen aufweisenden Markierungsträger, mit den Markierungsträger abtastenden, beim Vorbeilaufen der Markierungen jeweils eine Folge von je einer Markierung entsprechenden Signalen abgebenden Meßfühlern, und mit einer Meß- und Auswerteschaltung, dadurch gekennz eichnet, daß der Markierungsträger (5;5") an dem einen (2;2') der beiden Körper (2,3;2',3') um deren gemeinsame Achse (1; 1 ') drehbar befestigt und unabhängig von der Drehbewegung der beiden Körper (2r3;2',3') durch einen Antrieb (6;6') zu einer ständigen Rotation antreibbar ist, daß einer (15 ; 15 ') der Meßfühler (15,2O;151,2O1)130047/0348391849'an demselben Körper (2;2') wie der Markierungsträger (5;5') und der andere (20;20") am anderen Körper (3;3r) starr befestigt ist, und daß die Meß- und Auswertescha1-tung (25) folgende Bestandteile umfaßt:- eine die zu den von den Meßfühlern (15,20;15',20') abgegebenen Signalen gehörenden Markierungen (12;12') identifizierende Identifizierungsschaltung (33),- eine die Zeitabstände der von den Meßfühlern (15,20; 15',20') abgegebenen Signale messende Zeitmeßeinheit (30) und ; :- eine auf ein entsprechendes Befehlssignal hin aus den Zeitabstandsmeßwerten für von den verschiedenen Meß-. fühlern (i5,20;; 15',2O1) stammende, identifizierten Markierungen (12; 12') zugeordnete Signale, aus gespeicherten Eichwerten für die absoluten Winkelabstäride identifizierter Markierungen (12 ;12') und aus der momentanen Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers (5;5r) die auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabstände zwischen diesen Markierungen (12;12') berechnende, und speichernde und bei folgenden Umdrehungen des Markierungsträgers (5;5') aus den Zeitabstandsmeßwerten für von den verschiedenen Meßfühlern (15,20; -1.5;'-: ,2.0"'-)'-stammende, identifizierten Markierungen ■-„■""■---"(1-:.2; 1-2'■)■- zugeordnete Signale, aus den gespeicherten, auf den Nullpunkt der Winkelmessung bezogenen Winkelabständen dieser Markierungen und aus der momentanen Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers (5;5') den momentanen Winkel zwischen den beiden Körpern (2, 3; 21, 3'); berechnende Rechen- und Speicherschaltung. (57). · .29.Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch g e k e η η ze i c h ή e t , daß die Meß- und Auswerteschaltung (25) weiterhin folgende Bestandteile umfaßt:130Q4 7/0348- einen die Zeitabstandsmeßwerte für die von den Meßfühlern (15,20; 15',20') während' einer Umdrehung des Markierungsträgers (5;5') jeweils erzeugten Signalfolgen speichernden Zwischenspeicher (50),- eine die für jede Signalfolge bei einer nachfolgenden Umdrehung des Markierungsträgers (5 ; 5') neu gewonnenen Zeitabstandsmeßwerte mit den zugehörigen, zwischengespeicherten Zeitabstandsmeßwerten vergleichende Vergleichsschaltung (51) und- eine in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis Eichwerte für die absoluten Winkelabstände identifizierter Markierungen (12 ; 12 ') und die momentane Winkelgeschwindigkeit des Markierungsträgers (5; 5') berechnende und die Eichwerte speichernde zweite Rechen- und Speicherschaltung (55).30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch g e kennzeichnet , daß jeder der Meßfühler (15, 20; 15',2O1) aus einer Differential-Fotodiode (62) besteht, der ein ihre Ausgangssignale formender Geber (28, 29) nachgeschaltet ist, der wenigstens ein mit den beiden Ausgängen der Differential-Fotodiode (62) verbundenes differenzbildendes Glied (66) sowie einen das Ausgangssignal des differenzbildenden Gliedes (66). mit einem vorgegebenen konstanten Spannungspegel vergleichenden Komparator (70) umfaßt.130047/0348 BADORiGlNAL31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Zeitmeßeinheit (30) einen quarzgesteuerten Oszillator (78), einenf die Oszillatorperioden abzählenden Zähler (79) und zwei jeweils durch die vom zugehörigen Geber (28,29) abgegebenen Signale triggerbare und durch vom Quarzoszillator (78) abgegebene Signale anhaltbare Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen (88,98) mit nachgeschaltetenAnalog/Digital-Wandlern (92,102) umfaßt. . .2. Vorrichtung nach Anspruch 3.1,. dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß dem Stop -Eingang ·■ einer jeden Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) ein Verzögerungsglied (87,97) vorgeschaltet ist, daß die Zeitmeßeinheit (30) eine Schaltungsanordnung (82) zur Erzeugung und gleichzeitigen Abgabe jeweils eines Start- und eines Stopsignals für die Zeit/Amplituden-Wandlerschaltungen (88,98) umfaßt, und daß dem Analogausgang einer jeden Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) in paralleler Anordnung zwei Sample-and-Hold-Schaltungen (89,90,99,100) nachgeschaltet sind, von denen die eine (89,99) zur Aufnahme und Speicherung von von der zugehörigen Zeit/Amplituden-Wandlerschaltung (88,98) abgegebenen Zeitmeßwerten und die andere (90/100) zur Aufnahme und Speicherung der jeweils entsprechenden, von der zugehörigen Amplituden-Wandler schaltung (88,98) aufgrund der von der Schaltungsanordnung (82) erzeugten Start- und Stopsdgna] abgegebenen Korrekturwerte ansteuerbar ist.13 0047/0 34833. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet , daß der Ausgang jeweils der einen Sample-and-Hold-Schaltung (89,99) an den positiven Eingang und der Ausgang jeweils der anderen Sampleand-Hold-Schaltung (90,100) an den negativen Eingang eines zugehörigen Differenzverstärkers (91,101) angeschlossen, ist, dessen Ausgangssignal dem entsprechenden Analog/Digital-Wandler (92,102) zuführbar ist.4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch kennzeichnet , daß auf dem Markierungsträger nur eine einzige Gruppe von Markierungen angebracht ist, die von beiden Meßfühlern abgetastet wird.5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 33, dadurch gekennzeichnet , daß auf dem Markierungsträger (5;5') zwei räumlich voneinander getrennte Gruppen («κ , β ;&J,ß Ί von Markierungen (12;12') angebracht sind, von denen die eine durch .den einen Meßfühler (15; 15·') und die andere durch den anderen Meßfühler (20;20') abgetastet wird.6. Vorrichtung nach Anspruch 3 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Markierungsträger (5) zwei flache, axial von einander beabstandtet an einer gemeinsamen Welle (4) befestigte Scheiben (10,11) umfaßt, von denen die eine die eine Markierungsgruppe , (ö£ ) und die andere die andere Markierungsgruppe (ß) trägt.7. Vorrichtung nach Anspruch 3 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Markierungsträger (5') ein kreiszylindrischer Körper ist, auf dessen Mäntel-130047/03483019A86fläche axial voneinander beabstandet die beiden Gruppen ( OC1 , ß%) von Markierungen (12') angebracht sind.38. vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 37, dadurch g e ken η ze i c h η e t , daß die Markierungen (12;12') einer jeden Gruppe (Oi. ,ß ,· oCf, β*) sich hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften von den an sie angrenzenden Bereichen des Markierungsträgers ;(5;5') unterscheidende, im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Drehung des Markierungsträgers (5 ; 5')T--. ■ verlaufende Streifen sind.* Vorrichtung nach Anspruch 38 , dadurch gekennzeichnet, daß die Breite eines jeden Markierungsstreifens großer als die Breite des Trennsteges (63) der Differential-Fotodiode (62) und kleiner als die Breite der Differential-Fotodiode (62) ist.40..Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39 dadurch g e kenn-ze i c h η e t , daß sich die Markierungen (12) hinsichtrich der Lichtdurchlässigkeit von den sie umgebenden Bereichen des Markierungsträgers (5) unterscheiden und daß eine den Meßfühler (15,20) -'beleuchtende Lichtquelle (17,22) auf der dem Meßfühler gegenüberliegenden Seite des Markierungsträgers (5) angeordnet ist«130047/0348 BAD ORIGINALVorrichtung nach Anspruch 38 oder 39,dadurch gekennzeichnet , daß sich die Markierungen (121) hinsichtlich ihres Licht-Reflexionsvermögens von den sie umgebenden Bereichen des Markierungsträgers (51) unterscheiden und daß eine den Meßfühler (15',2O1) beleuchtende Lichtquelle auf derselben Seite des Markierungsträgers wie der Meßfühler angeordnet ist.2 .Vorrichtung nach Anspruch 4 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Licht der Lichtquelle senkrecht auf die Oberfläche des Markierungsträgers gerichtet ist und daß das in der Bahn des auftretenden Lichtstrahls vom Markierungsträger reflektierte Licht mit Hilfe eines Strahlenteilers zur Differential-Fotodiode hin umgelenkt wird.3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 4 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (17,22) in unmittelbarer Nähe des Markierungsträgers (5) angeordnet ist.44.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 4 2, dadurch g e k en η ζ ei c h η et , daß ein das Licht der Lichtquelle in unmittelbarer Nähe des Markierungsträgers lenkender Lichtleiter vorgesehen ist.130047/034845. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 44, dadurch ge k en η zeichnet / daß jede der.Lichtquellen eine Licht emittierende Diode ist. ■".-■■ ■■-".-"" ;:1 30047/03A8
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