ПОТЕНЦИОМЕТР
POTENTIOMETER

Изобретение относится к потенциометру, содержащему а) по меньшей мере два электропроводящих сегмента, каждый из которых имеет контактную сторону, которая окружена окружным контуром, которые граничат друг с другом плотно одним участком своих контуров, и b) соединительное устройство для электрического соединения первой контактной точки в первом сегменте по меньшей мере с одной второй контактной точкой в отличном от первого сегмента втором сегменте, и к способу для определения углового положения конструктивного элемента с применением потенциометра согласно изобретению.
Потенциометры часто используются для измерения угловых положений, т.е. для определения поворота одного тела относительно другого тела. Для обеспечения возможности измерения всех угловых положений, т.е. без образования мертвого угла, необходимо выполнять модификации по сравнению с обычными потенциометрами. Потенциометр без мертвого угла раскрыт, например, в корейской публикации KR 10 2001 099256 A. Недостатком раскрытого потенциометра является трудность его установки в корпус. Поэтому он подвержен загрязнениям. Другим недостатком является то, что обе части потенциометра проводят ток и поэтому потенциометр подвержен ошибкам.
Из DE 34 27 000 С2 известен потенциометр, в котором два скользящих контакта соединены друг с другом и с оконечным усилителем. Вводимый с помощью обоих скользящих контактов в сегменты электрический ток направляется из сегментов, которые соединены с помощью скользящих контактов, в другой сегмент и из него в громкоговорители.
Недостатком описанного там потенциометра является необходимость соединения скользящих контактов в точке поворота с источником тока. Изменяющееся в этой точке электрическое сопротивление приводит к систематической погрешности измерения. Кроме того, недостатком является то, что потенциометр может работать лишь в диапазоне углов от 0 до 180°. Поэтому его нельзя применять в тех случаях, когда необходимо устанавливать любые углы.
Из DE 10 2005 021 890 А1 известен потенциометр, который имеет три концентричных проводника. Через два установленных с возможностью поворота плеча можно соединять друг с другом два проводника. Средний из трех проводников имеет повышенное электрическое сопротивление, так что из электрического сопротивления между наружным и внутренним электрическим проводником можно судить о положении поворота плеч. Недостатком потенциометра является его сложная конструкция.
Из DE 43 39 931 С1 известен датчик положения для рычага выбора передачи коробки передач автомобиля. Недостатком этого потенциометра является его непригодность для измерения поворотного движения.
В основу изобретения положена задача создания надежного потенциометра, с помощью которого можно измерять угловое положение конструктивного элемента при всех углах.
Задача решается согласно изобретению с помощью потенциометра, в котором между каждыми двумя сегментами всегда расположен электрический контакт.
Согласно второму аспекту изобретения задача решена с помощью способа определения углового положения конструктивного элемента, содержащего этапы: а) механического соединения конструктивного элемента с соединительным устройством или сегментами указанного выше потенциометра; b) соединения источника тока или источника напряжения с потенциометром, так что электрический ток проходит по меньшей мере через один сегмент; с) определения по меньшей мере одного первого напряжения, которое на основе тока падает на одной части потенциометра; d) определения по меньшей мере из одного напряжения поворотного положения соединительного устройства; е) определения из поворотного положения соединительного устройства углового положения конструктивного элемента.
Преимуществом потенциометра согласно изобретению является то, что нет необходимости отвода тока, а также напряжения с установленного с возможностью поворота конструктивного элемента. Можно электрически контактировать либо лишь сегменты, либо лишь соединительное устройство. За счет этого потенциометр является особенно надежным в работе. Другим преимуществом является простота и тем самым экономичность его изготовления. Кроме того, потенциометр можно выполнять открытым.
Дополнительно к этому преимуществом является возможность выполнения потенциометра плоским. Другим преимуществом является возможность заключения потенциометра в корпус таким образом, что внутри корпуса нет необходимости в установленных с возможностью поворота компонентах. Таким образом, получается легко используемый под водой, устойчивый к помехам потенциометр.
В рамках данного изобретения можно, но не обязательно, обеспечить возможность соединения с помощью соединительного устройства друг с другом в точности двух контактных точек. Возможно также, что соединительное устройство соединяет друг с другом в точности три контактных точки. Дополнительно к этому возможно, но не обязательно, что соединительное устройство постоянно соединяет друг с другом контактные точки. Таким образом, можно использовать соединительное устройство, в котором временно не контактируется ни одна контактная точка. Соединительное устройство может электрически перекрывать обе контактные точки, т.е. соединять с небольшим по сравнению с другими сопротивлениями потенциометра сопротивлением и тем самым действовать в качестве шунтирующего устройства. Однако соединительное устройство может соединять контактные точки за счет того, что соединительное устройство предназначено для подключения к внешнему контуру тока, так что через обе контактные точки не проходит ток. В этом случае соединительное устройство может быть выполнено так, что обе контактные точки электрически изолированы друг от друга, когда соединительное устройство не соединено с внешним контуром тока.
Под замкнутой кольцеобразной системой сегментов понимается, в частности, что расположенные так сегменты в математическом смысле не образуют просто связанную область. Область может быть, например, дважды связанной. Для этого возможно, но не необходимо, что кольцеобразная система имеет в середине отверстие. Скорее достаточно, когда сегменты образуют такую кольцеобразную систему, что ток с хорошим приближением не проходит через середину между сегментами.
Под источником тока понимается, в частности, устройство, с помощью которого можно прикладывать электрический ток заданного напряжения или ток заданной величины к двум контактам.
В одном предпочтительном варианте выполнения сегменты образуют замкнутую, в частности, кольцеобразно замкнутую систему. Таким образом, получается потенциометр, который можно особенно хорошо использовать для измерения углов. Однако не обязательно, что сегменты образуют замкнутую систему. Возможно также, что сегменты расположены друг за другом и тем самым образуют ряд.
Предпочтительно потенциометр содержит электрические контакты, через которые подается проходящий через все сегменты электрический ток. Не обязательно, что ток, который подается через электрические контакты, всегда проходит через все сегменты. Возможно, например, что соединительное устройство в одном положении перекрывает весь сегмент, так что электрический ток не проходит через этот сегмент или проходит лишь с исчезающее малой долей. В частности, достаточно, что существует положение соединительного устройства, в котором через пару электрических контактов можно подавать проходящий через все сегменты электрический ток.
В одном предпочтительном варианте выполнения контактные стороны являются плоскими и лежат в общей для контактных сторон плоскости. Другими словами это означает, что сегменты примыкают друг к другу так, что они образуют сплошную гладкую общую поверхность. В этом случае соединительное устройство может особенно просто скользить по общей для контактных сторон плоскости.
В одном предпочтительном варианте выполнения каждый сегмент граничит плотно в точности с двумя соседними сегментами. Таким образом, создается кольцеобразная замкнутая система. При этом, в частности, каждый сегмент электрически соединен с обоими соседними сегментами в местах, в которых они плотно граничат друг с другом. Однако не обязательно, что каждый сегмент граничит в точности с двумя соседними сегментами.
В одном предпочтительном варианте выполнения сегменты являются круговыми кольцевыми сегментами. Эти круговые кольцевые сегменты образуют замкнутое кольцо с шириной кольца, которая соответствует разнице между наружным радиусом и внутренним радиусом. В этом случае каждый круговой сегмент имеет два изогнутых в форме части круга ограничения и два проходящих прямолинейно ограничения, при этом продолжения проходящих прямолинейно ограничений сходятся в средней точке кругового кольца.
Особенно предпочтительно, все сегменты имеют одинаковый размер. За счет этого обеспечивается особенно простая в изготовлении конструкции. Предпочтительно, что удельное электрическое сопротивление в сегменте является постоянным. Удельное электрическое сопротивление задает электрическое сопротивление, которое имеется между двумя контактными точками сегмента на заданном расстоянии друг от друга. Особенно предпочтительно удельные электрические сопротивления двух соседних сегментов различны. При этом величина различия составляет, например, больше 10%, но предпочтительно больше 100%. Возможно также, что удельное электрическое сопротивление двух соседних сегментов в несколько раз превышает друг друга.
Особенно предпочтительно удельное электрическое сопротивление является различным во всех сегментах. За счет этого из измерений напряжений между отдельными сегментами можно особенно просто определять положение поворота соединительного устройства.
Особенно предпочтительно соединительное устройство перекрывает в точности две контактные точки, так что между обеими контактными точками существует небольшое по сравнению с остальными сопротивлениями потенциометра сопротивление. Получается особенно просто оцениваемый сигнал напряжения для определения углового положения соединительного устройства.
Особенно предпочтительно соединительное устройство установлено с возможностью поворота в поворотной точке, при этом поворотная точка совпадает со средней точкой кругового кольца. Таким образом, определенное с помощью потенциометра значение напряжения можно особенно просто пересчитывать в угол поворота, который выполнило соединительное устройство вокруг поворотной точки.
В одном предпочтительном варианте выполнения соединительное устройство выполнено для создания контактных точек для электрического соединения контактных точек сегментов, при этом каждые две контактные точки смещены относительно поворотной точки на угол расхождения и при этом по меньшей мере угол расхождения настолько велик, что соответствующие контактные точки не могут лежать в одном сегменте. За счет этого предпочтительно исключаются неоднозначности, так что из измеренных на потенциометре напряжений всегда можно однозначно определять поворотное положение соединительного устройства.
Предпочтительно соединительное устройство содержит замкнутый гибкий проводник, который расположен относительно электропроводящих сегментов так, что он может приводиться посредством нажатия в контактной точке в электрический контакт с сегментом. Для этого, например, гибкий электрический проводник расположен в пространстве на расстоянии от контактных сторон сегментов. За счет нажатия в контактных точках гибкий проводник деформируется и приходит в контакт с контактной стороной сегмента. Если во втором месте к гибкому проводнику также прикладывается давление, то гибкий проводник приходит в двух местах в контакт с сегментами и создает между обоими сегментами электрический контакт. Гибкий проводник имеет предпочтительно небольшое электрическое сопротивление. Например, удельное электрическое сопротивление гибкого проводника является небольшим по сравнению с удельным электрическим сопротивлением сегментов.
Сегменты и части соединительного устройства, в частности гибкий проводник, окружены непроницаемой для жидкости гибкой оболочкой. Таким образом, получается водонепроницаемый потенциометр, который можно применять для изготовления устойчивого к жидкостям датчика поворота.
Согласно изобретению потенциометр содержит соединительное звено для оказания давления на гибкий проводник по меньшей мере в двух контактных точках. Это соединительное звено является, например, частью соединительного устройства. Например, соединительное звено установлено с возможностью поворота, так что поворот соединительного звена приводит к тому, что гибкий проводник в двух изменяющихся контактных точках соединяет первую контактную точку со второй контактной точкой во втором сегменте. Таким образом, можно измерять поворотное положение соединительного звена также в жидком окружении, при этом сегменты окружены непроницаемой для жидкости оболочкой.
В одном предпочтительном варианте выполнения между каждыми двумя сегментами всегда расположен электрический контакт. Через этот электрический контакт можно отводить электрическое напряжение, которое падает на сегменте.
Предпочтительно потенциометр содержит устройство определения напряжения и управляющее устройство, которое выполнено для соединения соответствующих двух контактов с источником тока и двух контактов с устройством определения напряжения. При этом управляющее устройство выполнено для осуществления способа согласно изобретению. Контакты могут быть соединенными с сегментами контактами или контактами соединительного устройства.
В одном предпочтительном варианте выполнения соединительное устройство соединяет первую контактную точку в первом сегменте со второй контактной точкой в отличном от первого сегмента втором сегменте и в точности с третьей контактной точкой. Эта третья контактная точка лежит особенно предпочтительно всегда в отличном от первого и второго сегмента третьем сегменте. Особенно предпочтительно использовать потенциометр согласно изобретению в качестве датчика угла поворота в протезе, таком как протез руки или кисти. За счет возможности размещения в корпусе протез можно использовать также под водой.
Способ согласно изобретению предпочтительно содержит этап подачи электрического тока к второй паре электрических контактов после определения первого напряжения на первой паре электрических контактов.
За счет этого обеспечивается возможность выполнения способа с помощью лишь одного источника тока и лишь одного устройства определения напряжения. В частности, способ содержит определение конечных напряжений между концевыми парами электрических контактов, при этом n>1 и при этом n пар выбирают так, что каждое положение поворота соединительного устройства в точности соответствует комбинации конечных напряжений. За счет этого можно из измеренных напряжений однозначно определять положение поворота соединительного устройства.
Потенциометр согласно изобретению может иметь соединительное устройство, которое находится в контакте в двух, трех, четырех или пяти местах контакта с сегментами. Однако в просто устроенных вариантах выполнения можно обойтись с двумя или тремя местами контакта.
Ниже приводится подробное описание примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1а - первый потенциометр согласно изобретению с тремя сегментами и соединительным устройством в первом положении;
фиг. 1b - схема замещения потенциометра согласно фиг. 1а;
фиг. 2а - потенциометр согласно фиг. 1а с другим положением соединительного устройства;
фиг. 2b - схема замещения для потенциометра в показанном на фиг. 2а положении;
фиг. 3а - потенциометр согласно фиг. 1а и 2а с третьим положением соединительного устройства;
фиг. 3b - схема замещения для фиг. 2а;
фиг. 4а - второй вариант выполнения потенциометра согласно изобретению с шестью сегментами и соединительным устройством в первом положении;
фиг. 4b - соответствующая схема замещения;
фиг. 5а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится во втором положении;
фиг. 5b - соответствующая схема замещения;
фиг. 6а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в третьем положении;
фиг. 6b - соответствующая схема замещения;
фиг. 7а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в четвертом положении;
фиг. 7b - соответствующая схема замещения;
фиг. 8а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в пятом положении;
фиг. 8b - соответствующая схема замещения;
фиг. 9а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в шестом положении;
фиг. 9b - соответствующая схема замещения;
фиг. 10а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в седьмом положении;
фиг. 10b - соответствующая схема замещения;
фиг. 11а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в восьмом положении;
фиг. 11b - соответствующая схема замещения;
фиг. 12а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в девятом положении;
фиг. 12b - соответствующая схема замещения;
фиг. 13а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в десятом положении;
фиг. 13b - соответствующая схема замещения;
фиг. 14а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в одиннадцатом положении;
фиг. 14b - соответствующая схема замещения;
фиг. 15а - потенциометр согласно фиг. 4а, в котором соединительное устройство находится в двенадцатом положении;
фиг. 15b - соответствующая схема замещения;
фиг. 16а и 16b - разрез вдоль линии А на фиг. 1а и 4а;
фиг. 17а, 17b, 18a, 18b, 19a, 19b, 20a, 20b, 21a, 21b, 22a и 22b - третий вариант выполнения потенциометра согласно изобретению и соответствующие схемы замещения;
фиг. 23а, 23b - графики зависимости напряжения, падающего на контактах потенциометра согласно фиг. 4а-15b, от угла поворота соединительного устройства;
фиг. 24 - выведенная из частичных расчетов кривая изменения напряжения для угла поворота 360° для потенциометра согласно фиг. 17а-22b.
На фиг. 1а показан потенциометр 10 с тремя сегментами 12.1, 12.2, 12.3, каждый из которых имеет контактную сторону 14.1, 14.2, 14.3. Контактная сторона 14.1 окружена контуром 16.1, который проходит один раз вокруг сегмента 12.1. Таким же образом контактная сторона 14.2 окружена контуром 16.2, а контактная сторона 14.3 - контуром 16.3. Одинаковые части обозначены одинаковыми ссылочными позициями, при необходимости с различными нумерационными приставками.
Контур 16.1 имеет первый участок 18.1 и второй участок 20.1. Аналогичным образом контуры 16.2 и 16.3 имеют первый участок 18.2 и, соответственно, 18.3 и второй участок 20.2 и, соответственно, 20.3. Сегменты 12.1, 12.2, 12.3 прилегают плотно друг к другу своими первыми участками 18 и своими вторыми участками 20, так что они находятся в электрическом контакте друг с другом. За счет прилегания друг к другу сегменты 12.1-12.3, которые выполнены в виде сегментов кругового кольца, образуют замкнутое круговое кольцо, в котором каждый сегмент электрически соединен в точности с двумя соседними сегментами на основании их контакта.
Сегменты 12.1, 12.2 и 12.3 являются одинаковыми по размеру и имеют гомогенное, т.е. независимое от места, удельное электрическое сопротивление. Так, сегмент 12.1 имеет удельное электрическое сопротивление r1, которое отличается от удельного электрического сопротивления r2 сегмента 12.2 и от удельного электрического сопротивления r3 сегмента 12.3.
Между каждыми двумя сегментами находится электрический контакт. Так, электрический контакт 22.1 находится между сегментами 12.1 и 12.2. Электрический контакт 22.2 расположен между сегментами 12.2 и 12.3 и электрический контакт 22.3 находится между сегментами 12.3 и 12.1. Через электрические контакты 22.1-22.3 можно определять напряжение, которое падает на соответствующем сегменте. В альтернативном варианте выполнения контакты 22 могут быть расположены также в любых других местах сегментов, например в середине соответствующего сегмента.
Через электрические контакты 22.1-22.3 можно подавать заданный ток I, который может поставляться источником 24.1 тока. В качестве альтернативного решения может быть предусмотрен источник 24.2 напряжения, с помощью которого к электрическим контактам 22.1 и 22.3 прикладывается заданное напряжение U1, равное, например, 5 В.
außen
innen
Показанные на фиг. 1 сегменты 12.1-12.3 образуют один слой потенциометра 10. На фиг. 16а показан разрез по линии А. Можно видеть, что потенциометр 10 содержит опору 26, на которой расположены сегменты 12.1-12.3, при этом на фиг. 16а показан лишь сегмент 12.2. Вдоль наружного радиуса K кругового кольца и внутреннего радиуса K кругового кольца расположены внутреннее распорное кольцо 28 и наружное распорное кольцо 20, которые удерживают покрывную мембрану 32 на расстоянии от опоры 26. На покрывной мембране 32 закреплен гибкий проводник 34 в виде слоя серебра, который имеет круговую форму и находится на расстоянии от сегментов 12.1-12.3.
Как показано на фиг. 16b, давление с помощью соединительного приспособления 36 на покрывную мембрану приводит к деформации гибкого проводника 34 и его контакту в контактной точке с соответствующим сегментом, в данном случае сегментом 12.2. За счет этого создается электрический контакт между гибким проводником 34 и сегментом 12.2. Покрывная мембрана 32, гибкий проводник 34 и соединительное приспособление 36 являются частями соединительного устройства 38. В качестве альтернативного решения соединительное устройство может также содержать известные скользящие контакты, которые установлены с возможностью поворота.
1
2
1
2
На фиг. 1а показано соединительное приспособление 36, которое установлено с возможностью поворота в средней точке М, в повернутом на угол φ положении. На своих концах соединительное приспособление 36 давит в двух контактных точках Р, Р на покрывную мембрану 32 (см. фиг. 16b) и тем самым коротко замыкает соответствующие сегменты, на фиг. 1 - сегменты 12.1 и 12.2, в контактных точках Р и Р. За счет этого изменяется, как будет пояснено ниже, напряжение, которое падает между двумя сегментами.
1
2
Обе контактные точки Р и Р лежат относительно средней точки М на расстоянии друг от друга на угол α расхождения (см. фиг. 1а), который больше перекрываемого одним сегментом углового диапазона, в данном случае больше 120°.
1
2
1
2
На фиг. 1b показана соответствующая углу φ поворота схема замещения для потенциометра 10. При этом электрическое сопротивление каждого из сегментов 12.1-12.3 разделено на два частичных сопротивления, которые представляют электрическое сопротивление в направлении часовой стрелки перед контактной точкой Р, Р, соответственно, после нее. Сумма частичных сопротивлений, которые обозначены приставкой «а», соответственно, «b», соответствует общему сопротивлению r соответствующего сегмента. Величина каждого из частичных сопротивлений зависит от угла φ поворота, если одна из обеих контактных точек Р, соответственно, Р находится в соответствующем сегменте.
1
2
3
1
2
3
Из показанной на фиг. 1b схемы замещения можно определять посредством применения законов Кирхгофа напряжения U, U и U, которые при заданном токе I или при заданном напряжении падают на сегментах 12.1, 12.2 и 12.3 и которые можно измерять с помощью электрических контактов 22.1, 22.2 и 22.3. Если приложено заданное напряжение U, то можно, соответственно, рассчитать напряжения U и U.
1
2
На фиг. 2а показан потенциометр, в котором соединительное приспособление 36 находится под другим углом φ поворота, так что контактная точка Р лежит в сегменте 12.3, а контактная точка Р - в сегменте 12.1. Этому соответствует показанная на фиг. 2b схема замещения.
1
2
На фиг. 3а показано третье возможное положение соединительного приспособления 36, в котором первая контактная точка Р находится в сегменте 12.2, а вторая контактная точка Р - в сегменте 12.3. Этому соответствует показанная на фиг. 3b схема замещения.
1
2
1
3
На основании показанных на фиг. 1b, 2b и 3b схем замещения можно определить при заданном токе I или заданном напряжении U для каждого отдельного угла φ поворота пару из первого напряжения U и второго напряжения U, которая однозначно соответствует углу φ поворота. Тем самым за счет определения двух из трех напряжений U-U можно однозначно выводить угол φ поворота.
i
На фиг. 4 показан второй вариант выполнения потенциометра 10 согласно изобретению с шестью сегментами 12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5 и 12.6. Сегменты 12.1-12.6 расположены так, как указывалось выше для первого варианта выполнения. Между отдельными сегментами расположены электрические контакты 22.1-22.6. Контакты 22.1 и 22.4 соединены с неизображенным источником напряжения, который через оба электрических контакта прикладывает электрическое напряжение V, равное, например, 5 В, которое вызывает ток I, который проходит через все сегменты 12.1-12.6. На фиг. 4b показана схема замещения для потенциометра 10, когда соединительное приспособление 36 находится в показанном на фиг. 4а положении. Сопротивления снова заданы как r, где i=1, 2, 3, 4, 5. 6.
На фиг. 5а, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b, 11a, 11b, 12a, 12b, 13f, 13b, 14a, 14b и 15а, соответственно, 15b показаны, соответственно, другие возможные положения соединительного приспособления 36 и соответствующие схемы замещения. В связи с описанием фиг. 23а, 23b ниже выводится, какие напряжения между отдельными электрическими контактами 22.1-22.6 можно измерять для различных углов φ поворота.
На фиг. 17а показан альтернативный вариант выполнения потенциометра 10 согласно изобретению, который имеет два сегмента 12.1 и 12.2, которые имеют контуры 16.1 и 16.2. Контуры 16.1 и 16.2 граничат своими соответствующими первыми участками 18.1 и, соответственно, 18.2, с одной стороны, и своими вторыми участками 20.1 и 20.2, с другой стороны, плотно друг с другом так, что они находятся в электрическом контакте друг с другом.
1
2
3
Оба сегмента 12.1, 12.2 образуют круговую кольцевую систему, в средней точке М которой установлено с возможностью поворота вокруг средней точки М соединительное устройство 38. Соединительное устройство 38 имеет первое плечо 40, второе плечо 42 и третье плечо 44, которые на своем противоположном средней точке М конце находятся в первой контактной точке Р, во второй контактной точке Р, соответственно, в третьей контактной точке Р в электрическом контакте с соответствующим сегментом. Таким образом, созданы скользящие контакты.
1
2
Через первый контакт 46 подачи тока и второй контакт 48 подачи тока создается с помощью неизображенного источника тока электрический ток I, который, приходя из источника тока, проходит через первое плечо 40 и контактную точку Р, через сегмент 12.1 или через сегменты 12.1 и 12.2, через контактную точку Р и второе плечо 42 обратно к источнику тока. Первое плечо 40 электрически изолировано от второго плеча 42, так что прохождение тока от первого контакта подачи тока к второму контакту подачи тока невозможно только через оба плеча 40, 42. В качестве альтернативного решения вместо электрического тока можно также прикладывать к обоим контактам 46, 48 электрическое напряжение U.
3
1
3
2
На основании указанного выше электрического тока между контактными точками Р и Р и контактными точками Р и Р образуется электрическое напряжение, которое можно измерять с помощью неизображенного устройства измерения напряжения. Для этого измеряется напряжение между измерительным контактом 50 и первым контактом подачи тока, соответственно, вторым контактом 48 подачи тока.
На фиг. 17b показана схема замещения для показанного на фиг. 17а потенциометра в показанном там угле φ поворота. Обозначение сопротивлений соответствует указанному для обоих приведенных выше примеров выполнения обозначению.
На фиг. 18а показан потенциометр в другом угловом положении, а на фиг. 18b показана соответствующая схема замещения.
На фиг. 19а, 19b, 20a, 20b, 21a, 21b, а также 22a и 22b показаны другие возможные положения передаточного устройства 38 и соответствующие им схемы замещения.
Вычисление измеренных напряжений в зависимости от угла поворота для второго варианта выполнения
1
2
2
3
Из показанных на фиг. 17b, 18b, 19b, 20b, 21b и 22b схем замещения можно при заданном токе I вычислять измеренные между первой контактной точкой Р и второй контактной точкой Р, соответственно, второй контактной точкой Р и третьей контактной точкой Р напряжения указанным ниже образом.
Для вычислений угол α расхождения между обоими исполнительными элементами принимается равным 90°. Для слоя сопротивления принимается значение, равное 10 Ом на 1 градус (°). Поскольку каждый сегмент 12.1-12.6 перекрывает 60°, то сопротивление одного сегмента составляет 600 Ом.
Если, как показано на фиг. 4а, между контактами 22.1 (U=+5 В) и 22.4 (масса) приложено напряжение и угол φ изменяется между 0 и 30°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 4b.
Частичные сопротивления на фиг. 4b рассчитываются следующим образом:
r1=φ*10 Ом
r2=(60-φ)*10 Ом
r3=600 Ом
r4=600 Ом
r5=600 Ом
r6=(30+φ)*10 Ом
r7=(30-φ)*10 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 0°≤φ≤30° изменение напряжения для напряжений U1 между контактом 22.2 и массой, U2 между контактом 22.3 и массой, U3 между контактом 22.5 и массой, а также U4 между контактом 22.6 и массой.
Если, как показано на фиг. 5а, между контактами 22.1 (+5 В) и 22.4 (масса) приложено напряжение U и угол φ изменяется между 30 и 60°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 5b.
Частичные сопротивления на фиг. 5b рассчитываются следующим образом:
r1=φ*10 Ом
r2=(60-φ)*10 Ом
r3=600 Ом
r4=600 Ом
r5=600 Ом
r6=600 Ом
r7=(φ-30)*10 Ом
r8=(90-φ)*10 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 30°≤φ≤60° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 6а, угол φ изменяется между 60 и 90°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 6b.
Частичные сопротивления на фиг. 6b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=(φ-60)*10 Ом
r3=(120-φ)*10 Ом
r4=600 Ом
r5=600 Ом
r6=600 Ом
r7=(φ-30)*10 Ом
r8=(90-φ)*10 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 60°≤φ≤90° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 7а, угол φ изменяется между 90 и 120°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 7b.
Частичные сопротивления на фиг. 7b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-90)*10 Ом
r2=(150-φ)*10 Ом
r3=(φ-60)*10 Ом
r4=600 Ом
r5=600 Ом
r6=600 Ом
r7=(φ-30)*10 Ом
r8=(90-φ)*10 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 90°≤φ≤120° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 8а, угол φ изменяется между 120 и 150°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 8b.
Частичные сопротивления на фиг. 8b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-90)*10 Ом
r2=(150-φ)*10 Ом
r3=(φ-120)*10 Ом
r4=(180-φ)*10 Ом
r5=600 Ом
r6=600 Ом
r7=600 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 120°≤φ≤150° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 9а, угол φ изменяется между 150 и 180°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 9b.
Частичные сопротивления на фиг. 9b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=(φ-150)*10 Ом
r3=(210-φ)*10 Ом
r4=(φ-120)*10 Ом
r5=(180-φ)*10 Ом
r6=600 Ом
r7=600 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 150°≤φ≤180° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 10а, угол φ изменяется между 180 и 210°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 10b.
Частичные сопротивления на фиг. 10b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=(φ-150)*10 Ом
r3=(210-φ)*10 Ом
r4=600 Ом
r5=(φ-180)*10 Ом
r6=(240-φ)*10 Ом
r7=600 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 180°≤φ≤210° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 11а, угол φ изменяется между 210 и 240°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 11b.
Частичные сопротивления на фиг. 11b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=600 Ом
r3=(φ-210)*10 Ом
r4=(270-φ)*10 Ом
r5=(φ-180)*10 Ом
r6=(240-φ)*10 Ом
r7=600 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 210°≤φ≤240° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 4а, между контактами 22.1 (+5 В) и 22.4 (масса) приложено напряжение, и угол φ изменяется согласно фиг. 12а между 240 и 270°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 12b.
Частичные сопротивления на фиг. 12b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=600 Ом
r3=(φ-210)*10 Ом
r4=(270-φ)*10 Ом
r5=600 Ом
r6=(φ-240)*10 Ом
r7=(300-φ)*10 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 240°≤φ≤270° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 4а, между контактами 22.1 (+5 В) и 22.4 (масса) приложено напряжение, и угол φ изменяется согласно фиг. 12а между 270 и 300°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 13b.
Частичные сопротивления на фиг. 12b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=600 Ом
r3=600 Ом
r4=(φ-270)*10 Ом
r5=(360-φ)*10 Ом
r6=(φ-240)*10 Ом
r7=(300-φ)*10 Ом
r8=600 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 270°≤φ≤300° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 14а, угол φ изменяется между 300 и 330°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 14b.
Частичные сопротивления на фиг. 14b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=600 Ом
r3=600 Ом
r4=(φ-180)*10 Ом
r5=(270-φ)*10 Ом
r6=600 Ом
r7=(φ-330)*10 Ом
r8=(360-φ)*10 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 300°≤φ≤330° изменение напряжения.
Если, как показано на фиг. 15а, угол φ изменяется между 330 и 360°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 15b.
Частичные сопротивления на фиг. 15b рассчитываются следующим образом:
r1=600 Ом
r2=600 Ом
r3=600 Ом
r4=600 Ом
r5=(φ-330)*10 Ом
r6=(390-φ)*10 Ом
r7=(φ-300)*10 Ом
r8=(360-φ)*10 Ом
С помощью законов Кирхгофа получают показанное на фиг. 23а в интервале 330°≤φ≤360° изменение напряжения.
Таким образом, получают в целом показанное на фиг. 23а изменение напряжения в интервале 0°≤φ≤360°. Для углов поворота больше 360° необходимо всегда рассматривать угол поворота по модулю 360°.
Если приложить к контакту 22.2 (см. фиг. 4а) напряжение U=+5В, а контакт 22.5 соединить с массой, и измерять напряжения U1 на контакте 22.3, U2 - на контакте 22.4, U3 - на контакте 22.6 и U4 - на контакте 22.1, то получится сдвинутая по углу φ поворота на -60° кривая, показанная на фиг. 23b.
Определение угла φ поворота из измеренных напряжений осуществляется следующим образом.
Сначала между контактами 22.1 и 22.4 прикладывается напряжение U=5 В. Понятно, что ни один из контактов не должен заземляться; в этом случае указанные выше напряжения измеряются относительно потенциала контакта 22.4. Затем проверяются, выполняются ли условия U4=3,33±0,2 В и U3=1,66±0,2 В. Если да, то из напряжений U4 и U3 определяется угол поворота, как будет пояснено ниже. Если нет, то напряжение U прикладывается к следующим в направлении против часовой стрелки контактам 22.2 и 22.5.
На фиг. 4а показан угол β переключения, который относительно средней точки М задает угол между контактом 22.1 и контактом, к которому приложено напряжение U. Когда выполняются условия U4=3,33±0,2 В и U3=1,66±0,2 В при приложении напряжения U к контактам 22.1 и 22.4, то β=0°. Когда выполняются указанные условия при приложении напряжения U к контактам 22.2 и 22.5, то β=60°, и т.д.
Таким образом, контакты, к которым прикладывается напряжение U, переключаются каждый раз дальше на один сегмент (β=60°), пока не будут выполнены условия U4=3,33±0,2 В и U3=1,66±0,2 В.
Угол φ поворота можно вычислять из измеренных напряжений следующим образом.
Когда U1>1/2U=2,5 B, то φ=(β+(900-2,5*U1/5)mod 360,
когда U1≤1/2U=2,5 B, то φ=(β+(900-2,5*U2/5)mod 360.
При этом mod 360 обозначает модульную функцию, для которой (a+z 360)mod 360=a для всех а между 0 и 360° и всех целых чисел z.
Вычисление измеренных напряжений в зависимости от угла поворота для второго варианта выполнения
Для показанного на фиг. 17а варианта выполнения способ согласно изобретению выполняется тем, что через первый и второй контакты 46, 48 подачи тока пропускают ток I. Для этого прикладывают либо напряжение U, либо ток I.
Для последующих вычислений угол α расхождения между тремя плечами 40, 42, 44 принимается равным 120°. Для слоя сопротивления принимается значение, равное 10 Ом на 1 градус для сегмента 12.2 и 100 Ом на 1 градус для сегмента 12.1.
Если к первому контакту 46 подачи тока первого плеча 40 и контакту 50 массы плеча 44 (см. фиг. 17а) между контактными точками Р1 (+5 В) и Р3 (масса) приложено напряжение U=5В, и угол φ изменяется между 0 и 60°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 17b.
Частичные сопротивления на фиг. 17b рассчитываются следующим образом:
r1=не оказывает влияния
r2=1200 Ом
r3=(60-φ)*10 Ом
r4=(60+φ)*100 Ом
r5=не оказывает влияния
Если, как показано на фиг. 18а, угол φ изменяется между 60 и 120°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 18b.
Частичные сопротивления на фиг. 18b рассчитываются следующим образом:
r1=не оказывает влияния
r2=(180-φ)*10 Ом
r3=(φ-60)*100 Ом
r4=1200 Ом
r5=не оказывает влияния
Если, как показано на фиг. 19а, угол φ изменяется между 120 и 180°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 19b.
Частичные сопротивления на фиг. 19b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-120)*10 Ом
r2=не оказывает влияния
r3=(180-φ)*10 Ом
r4=(φ-60)*100 Ом
r5=(240-φ)*100 Ом
Если, как показано на фиг. 20а, угол φ изменяется между 180 и 240°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 20b.
Частичные сопротивления на фиг. 20b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-120)*10 Ом
r2=не оказывает влияния
r3=не оказывает влияния
r4=1200 Ом
r5=(240-φ)*100 Ом
Если, как показано на фиг. 21а, угол φ изменяется между 240 и 300°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 21b.
Частичные сопротивления на фиг. 21b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-240)*10 Ом
r2=1200 Ом
r3=не оказывает влияния
r4=не оказывает влияния
r5=(360-φ)*100 Ом
Если, как показано на фиг. 22а, угол φ изменяется между 300 и 360°, то образуется схема замещения, показанная на фиг. 22b.
Частичные сопротивления на фиг. 22b рассчитываются следующим образом:
r1=(φ-240)*10 Ом
r2=(420-φ)*10 Ом
r3=не оказывает влияния
r4=не оказывает влияния
r5=(360-φ)*100 Ом
mess
2
3
Из указанных выше частичных вычислений получают для напряжения U=5 В показанное на фиг. 24 изменение напряжения U, которое лежит между контактной точкой Р и контактной точкой Р, в зависимости от угла φ поворота.
2
1
mess,2
Если прикладывать между контактными точками Р (+5 В) и Р (масса) напряжение U и измерять напряжение U, то получается сдвинутая на угол β=-120° переключения кривая изменения напряжения.
3
2
mess,3
Если прикладывать между контактными точками Р (+5 В) и Р (масса) напряжение и измерять напряжение U, то получается сдвинутая на угол β=+120° переключения кривая.
mess
mess,2
mess,3
Для измерения угла сначала прикладывают напряжение U между контактными точками Р1 и Р3, затем между контактными точками Р2 и Р1 и после этого между контактными точками Р3 и Р1. Измеряют, соответственно, указанные выше напряжения U, U и U. Каждой комбинации этих трех напряжений соответствует в точности один угол φ поворота, который интерполируют из таблицы, которая хранится в цифровой памяти электрической оценочной схемы в виде микрокомпьютера.
Протез согласно изобретению содержит два установленных с возможностью поворота относительно друг друга на угол поворота элемента. Если протез является, например, протезом колена, то оба плеча являются верхним плечом (стержнем) и нижним плечом. Оба плеча протеза соединены друг с другом так, что поворот обоих плеч относительно друг друга однозначно вызывает поворот соединительного устройства относительно сегментов.
Другими словами, поворот обоих плеч друг к другу приводит к перемещению соединительного устройства потенциометра относительно сегментов, и наоборот, поворотное движение соединительного устройства потенциометра относительно сегментов потенциометра может происходить лишь тогда, когда оба плеча перемещаются относительно друг друга.
Затем с помощью потенциометра можно, как указывалось выше, определять угол, под которым, например, нижнее плечо ориентировано относительно верхнего плеча. Если протез согласно изобретению является, например, протезом предплечья, то оба плеча являются плечом (культей) и предплечьем. Если протез является протезом пальца, то справедливо соответствующее.
Особенно предпочтительно, когда сегменты и гибкий проводник окружены непроницаемой для жидкости гибкой оболочкой. В этом случае протез можно погружать в воду без опасности короткого замыкания. Возможно, что потенциометр содержит управляющее устройство, которое предназначено для определения поворотного положения потенциометра. В этом случае электрическое управляющее устройство предпочтительно также окружено оболочкой. Возможно, что управляющее устройство выполнено с возможностью передачи поворотного положения в кодированном виде без проводов или по проводам наружу из оболочек.
Перечень ссылочных позиций
10 Потенциометр
12.1, 12.2, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6 Сегмент
14 Контактная сторона
16 Контур
18 Первый участок
20 Второй участок
22 Электрический контакт
24 Источник тока
26 Опора
28 Внутреннее распорное кольцо
30 Наружное распорное кольцо
32 Нажимная мембрана
34 Гибкий проводник
36 Соединительное приспособление
38 Соединительное устройство
40 Первое плечо
42 Второе плечо
44 Третье плечо
46 Первый контакт подачи тока
48 Второй контакт подачи тока
50 Измерительный контакт
I Ток
außen
K Наружный радиус кругового кольца
innen
K Внутренний радиус кругового кольца
М Средняя точка
φ Угол поворота
α Угол расхождения
β Угол переключения
Р1, Р2, P3 Точка
r Сопротивление
U Напряжение