Schaltungsanordnung zur Bestimmung der indizierten Arbeit einer Maschine
Die Erfindung betrifft die Schaltungsanordnung zur Bestimmung der indizierten Arbeit einer Maschine, insbesondere Kolbenkraftinaschine durch Integration der von der Druck-Weg-Kurve eingeschlossenen Fläche. In der Regel geschieht die Bestimmung der indizierten Arbeit, z. B. bei Kolbenkraftmaschinen, durch Aufzeichnung und anschliessende Auswertung des ps-Diagrammes durch Integration der von der Diagrammkurve umschlossenen Fläche nach einem der bekannten Verfahren (Auszählen, Auswägen, Planimetrieren usw.). Die Präzision der auf diese Weise gewonnene Werte lässt vielfach zu wünschen übrig, und es sind diese Verfahren auch verhältnismässig umständlich und mit grossem Zeitaufwand verbunden.
Bei bekannten elektronischen Verfahren liegt die Schwierigkeit meist in der Erfassung der zugehörigen Druck und Wegwerte und im verwendeten Integrationsverfahren, so dass sich oft auch die Bestimmung der Arbeit bei nur einmaligem Arbeitsspiel als undurchführbar erweist.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Methoden durch eine Schaltungsanordnung, welche die unmittelbare Bestimmung der indizierten Arbeit bei einem oder mehreren Arbeitsspielen auf elektronischem Wege ermöglicht. Diese Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass einem, an sich bekannten, Spannungskomparator über ein Gatter, an dessen zweitem Eingang ein frequenzkonstante Zählimpulse liefernder Generator angeschlossen ist, eine Zähleinrichtung folgt, wobei ein, vorzugsweise piezoelektrischer, Druckaufnehmer über einen Verstärker eine dem Druck proportionale Spannung an den einen Eingang des Spannungskomparators abgibt und ein von in kolbenwegproportionalen Abständen an einem umlaufenden Bauteil der Maschine angeordneten, ferromagnetischen Plättchen, in an sich bekannter Weise, betätigter elektromagnetischer Impulsgeber über eine Amplitudenbegrenzerstufe,
eine Impulsformerstufe, eine monostabile Stufe und einen Integrator Sägezahnimpulse mit kolbenwegproportionalem Einsatzpunkt als Vergleichs spannung an den zweiten Eingang des Spannungskomparators abgibt, und ein die Zähleinrichtung steuernder Schaltkreis vorgesehen ist, der aus einem von am umlaufenden Bauteil, den Totpunktlagen der Maschine entsprechend angeordneten ferromagnetischen Plättchen betätigten, zweiten Impulsgeber mit nachfolgender Begrenzerstufe und dieser nachgeschalteten Impulsformerstufe besteht, die ein Schieberegister sowie eine Untersetzerstufe steuert,
wobei die erste und dritte Stufe des zumindest fünfstufigen Schieberegisters einerseits über ein UND-Gatter mit dem einen Eingang einer das Tor des entspannten Gatters steuernden bistabilen Kippstufe und anderseits über ein zweites UND-Gatter mit dem Eingang für Vorwärtszähiung an der Zähleinrichtung verbunden sind, die zweite und vierte Stufe des Schieberegisters über ein drittes UND-Gatter an den Eingang für Rückwärtszählung an der Zähleinrichtung angeschlossen sind, und die letzte Stufe des Schieberegisters den andern Eingang der vorgenannten bistabilen Kippstufe ansteuert, und dass der Untersetzerstufe ein Wahlschalter folgt, dessen einer Ausgang an das erste und zweite UND-Gatter, und dessen anderer Ausgang an das dritte UND-Gatter angeschlossen ist.
Durch die Verwendung von Bauelementen, die bei der Indizierung der Maschine an und für sich schon benötigt werden, kann der Aufwand für die Schaltungsanordnung stark beschränkt werden. Funktionell ergibt sich für die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung eine dem numerischen Integrationsverfahren insofern ähnliche Arbeitsweise, als die von der Kurve eingeschlossene Fläche in vom Weg abhängige Flächenstreifen zerlegt, deren mittlere Amplituden nach einem bekannten Spannungsvergleichsverfahren mit Sägezahnimpulsen bestimmt und digital summiert bzw. subtrahiert werden.
Anstelle einer mühevollen Auswertung von Diagrammen kann das erwünschte Ergebnis unmittelbar nach der Messung an der Zähleinrichtung abgelesen werden, wobei sich die Messung über ein oder mehrere Arbeitsspiele erstrecken kann. Durch die ausschliessliche Verwendung elektronischer Mittel ist ausserdem eine hohe Präzision des Messergebnisses gewährleistet.
Bei einer besondern Ausführungsform der Schaltung besteht die Zähleinrichtung aus zwei Zählen, von denen der eine am zweiten UND-Gatter und der andere am dritten UND-Gatter angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Gatters mit dem Eingang sowohl des zweiten als auch des dritten UND-Gatters verbunden ist. Diese vereinfachte Anordnung ist zweckmässigerweise dann anzuwenden, wenn ein vor-rückwärts-zählender Zähler nicht vorhanden ist. Von den statt dessen vorgesehenen beiden Zählern summiert der eine alle positiven, der andere alle negativen Flächenabschnitte. Die Ergebnis der beiden Zähler müssen anschliessend nur mehr voneinander subtrahiert werden, um den endgültigen Messwert zu erhalten.
Bei mehr als fünfstufiger Ausführung des Schieberegisters sind zweckmässigerweise mit den Ausgängen der ersten und dritten Stufe auch die Ausgänge der weiteren, ungeradzahligen Stufen mit Ausnahme der letzten, und mit den Ausgängen der zweiten und vierten Stufe auch die Ausgänge der weiteren geradzahligen Stufen verbunden. Der Messvorgang kann damit über mehrere Umläufe erstreckt werden, wobei zusätzlich die Anzahl der Umläufe gezählt und anschliessend das Ergebnis durch die Anzahl der Umläufe dividiert werden muss.
Man erhält auf diese Weise den Mittelwert über mehrere Umläufe der Maschine.
Bei allen Schaltungsausführungen empfiehlt es sich, die Nullinie der Druckkurve so weit in das negative Gebiet zu legen, dass für den Druckaufnehmer nur positive Druckwerte vorhanden sind. Dies ist deshalb zulässig, da durch die wiederholte Addition bzw. Subtraktion der Messwerte kein Fehler auftritt.
Es ist nur zu fordern, dass der Nullpegel während der Messzeit konstant bleibt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher beispielsweise erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung in schematischer Darstellung, Fig. 2 ein Druckwegdiagramm einer Kolbenkraftmaschine und Fig. 3 einen von der Schaltungsanordnung der Fig. 1 abweichenden Schaltungsteil eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung.
Der Druck wid in bekannter Weise piezoelektrisch über einen Quarzdruckaufnehmer 1 aufgenommen, dem ein Ladungsverstärker 2 nachgeschaltet ist, der eine dem Druck proportionale Spannung dem einen Eingang eines Spannungskomparators 3 zuführt. Dort erfolgt in bekannter Weise ein Vergleich mit einer Sägezahnspannung 4.
Der zur Erzeugung dieser Sägezahnspannung 4 dienende Schaltungsteil umfasst einen in an sich bekannter Weise durch vorbeibewegte ferromagnetische Plättchen 6 erregten elektromagnetischen Impulsgeber 7, wobei die Plättchen 6 am Umfang einer an der Welle der zu untersuchenden Maschine angebrachten Scheibe 5 aus antimagnetischem Material in kolbenwegproportionalen Abständen angeordnet sind, weiters eine Amplitudenbegrenzerstufe 9 für die vom Impulsgeber 7 gelieferten Impulse 8, der eine Impulsformerstufe 10 nachgeschaltet ist, die ihrerseits eine monostabile Stufe 11 ansteuert. Letztere gibt an ihrem Ausgang Rechteckimpulse 12 von konstanter Impulsbreite T ab, die im folgenden Integrator 13 integriert werden.
Damit erscheinen am zweiten Eingang des Spannungskomparators 3 Sägezahnimpulse 4 mit konstanter Anstiegszeit und mit kolbenweg proportionalem Einsatzpunkt, d.h. also, dass Sägezahnimpulse 4 jeweils nur dann erscheinen, wenn eines der ferromagnetischen Plättchen 6 am Impulsgeber 7 vorbeibewegt wird.
Am Ausgang des Spannungskomparators 3 werden sornit in Abhängigkeit vom Weg Rechteckimpulse erhalten, deren Breite von der jeweils beim Spannungsvergleich herrschenden Spannung abhängig ist. Dem Spannungskomparator 3 folgt über ein Gatter 15, an dessen zweitem Eingang ein ferquenzkonstante Zählimpulse liefernder Generator 16 angeschlossen ist, eine Zähleinrichtung 14, die im Falle der Fig. 1 aus einem vor- und rückwärtszählenden Zählgerät besteht. Die Zähleinrichtung 14 erhält somit über das Gatter 15 solange Zählimpulse vom Generator 16, als der Rechteckimpuls am Ausgang des Spannungskomparators 3 aufscheint.
Zur Bestimmung der indizierten Arbeit ist es nun erforderlich, jeweils den Inhalt der von der Druckkurve (in Fig. 2 für eine Viertaktmaschine dargestellt) bestimmten Flächen A1 bis A4 zu bestimmen und sinngemäss zu addieren bzw. zu subtrahieren. Es ist als zunächst der Flächeninhalt A1 innerhalb des Bereiches von 0-1800 Kurbeiwinkel zu bestimmen, hievon die Fläche A2 innerhalb des Bereiches von 180-3600 Kurbelwinkel abzuziehen, sodann die Fläche A3 innerhalb des Bereiches von 360-5400 Kurbelwinkel zu addieren und schliesslich die Fläche A4 innerhalb des Bereiches von 540-7200 Kurbelwinkel zu subtrahieren. Hiezu ist ein eigener Schaltkreis 18-28 vorgesehen, welcher die Zähleinrichtung 14 sinngemäss steuert.
Dieser Schaltkreis umfasst einen zweiten Impulsgeber 18, der von zwei zusätzlich an der Scheibe 5 bei 0 und 1800 Kurkelwinkel, entsprechend dem oberen und unteren Totpunkt der Maschine, angeordneten ferromagnetischen Plättchen 17 erregt ist und dem eine Begrenzerstufe 19 sowie eine Impulsformerstufe 20 nachgeschaltet sind. Die Impulsformerstufe 20 steuert einerseits ein Schieberegister 21 und anderseits eine Untersetzerstufe 24. Das beim Ausführungsbeispiel fünfstufig ausgebildete Schieberegister 21 ist über den Ausgang der ersten und dritten Stufe einerseits über ein ersteres UND-Gatter 26 mit dem linken Eingang einer das Tor des Gatters 15 steuernden bistabilen Kippstufe 23 verbunden und ander seite über ein zweites UND-Gatter 27 an den Eingang für Vorwärtszählung der Zähleinrichtung 14 angeschlossen.
Die Ausgänge der zweiten und vierten Stufe des Schieberegisters 21 sind hingegen über ein drittes UND Gatter 28 mit dem Eingang für Rückwärtszählung der Zähleinrichtung 14 verbunden. Die fünfte Stufe des Schieberegisters 21 steuert schliesslich den rechten Eingang der bistabilen Kippstufe 23 an.
Der genannten Untersetzerstufe 24 folgt ein Wahlschalter 25, dessen linker Ausgang an das erste und zweite UND-Gatter 26 und 27 angeschlossen ist, wogegen sein rechter Ausgang mit dem dritten UND-Gatter 28 in Verbindung steht.
Für den Steuerschaltkreis 18 bis 28 ergibt sich somit folgende Betriebsweise. Die Messung kann beginnen, sobald das Schieberegister 21 über seine Rückstelleitung 22 in die Ausgangslage gebracht wurde. Der Impulsgeber 18 liefert nun über die Begrenzerstufe 19 und die Impulsformerstufe 20 Rechteckimpulse, wobei der erste eintreffende Impuls die bistabile Stufe in die linke Lage kippt, soferne das Gatter 26 leitend ist. Damit wird das Gatter 15 für die Zählimpulse freigegeben. Das Schieberegister 21 hat die Aufgabe, die Zählung nur beim oberen Totpunkt beginnen zu lassen und damit die richtige Zuordnung der Zählrichtung festzulegen. Zu diesem Zweck wird über den mpulsuntersetzer 24 nur jeder zweite Impuls durchgelassen, wobei über den Wahlschalter 25 nach dem Anlaufen der Maschine die richtige Zuordnung festgelegt wird.
Gleichzeitig werden von dieser Stufe 24 das zweite und dritte UND-Gatter 27 und 28 für die Vor- und Rückwärtszählung kontrolliert. Jeder weitere eintreffende Impuls am Eingang des Schieberegisters 21 schaltet somit abwechselnd den Zähler auf Vor- bzw.
Rückwärtszählung. Der fünfte, also wieder der Ausgangslage entsprechende Impuls stellt die bistabile Stufe 23 zurück und beendet damit durch Sperrung des Gatters 15 den Zählvorgang. Erst eine neuerliche Rück stellung leitet nochmals einen Zählvorgang ein. Bei mehrstufiger Ausbildung des Schieberregisters kann der Vorgang über mehrere Umläufe der Maschine ausgedehnt werden, wobei dann mit den Ausgängen der ersten und dritten Stufe auch die Ausgänge der weiteren, ungeradzahligen Stufen mit Ausnahme der letzten, und mit den Ausgängen der zweiten und vierten Stufe auch die Ausgänge der weiteren, geradzahligen Stufen zu verbinden sind.
Ist kein vor- und rückwärtszählender Zähler vorhanden, so können gemäss Fig. 3 auch zwei getrennte Zählgeräte 29 und 30 verwendet werden, wovon eines, 29, alle positiven und das andere, 30, alle negativen Flächen auszählt. Anschliessend müssen die Ergbenisse subtrahiert werden. Bei dieser Art werden die Zählimpulse zusätzlich über die zählrichtungskontrollierenden Gatter 27 und 28 geführt.