DD270644A3 - Schaltungsanordnung zur optoelektronischen drehzahlabtastung, insbesondere an zentrifugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optoelektronischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen. Sie beinhaltet zur Konstanthaltung des Tastverhaeltnisses der Drehzahlimpulse eine Regelung des Stromes durch den Lichtsender der Abtaststufe. Sie setzt sich aus einem integrierenden Differenzverstaerker, einem Spannungsteiler als Sollwerteinsteller und einem Leistungstransistor mit dem Lichtsender als Arbeitswiderstand zusammen. Zur Fehleranzeige und -auswertung dienen eine dem Leistungstransistor folgende Triggerstufe, eine Leuchtdiode und eine Fehlerauswerteschaltung. Die den Lichtempfaenger einschliessende Abtaststufe stellt eine Kombination aus einer Kaskodestufe und einer Konstantstromquelle dar. Sie bewirkt eine verzerrungsfreie Impulserzeugung bis zu hoechsten Drehzahlen. Ihr sind ausserdem ein retriggerbarer Monoflop, ein UND-Glied und eine Schaltstufe angeschlossen. Diese Stufen verhindern ein Leuchten der IR-Leuchtdiode bei Stillstand des Rotors. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optoelektronischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen und anderen rotierenden Teilen mit einem hohen Drehzahlbereich.

Charakteristik des Standes der Technik Schaltungsanordnungen, die der Erfassung von Drehzahlimpulsen zur Meßwertbildung dienen, enthalten außer dem Lichtsender und dem Lichtempfänger einen Verstärker und einen Trigger als Impulsformer. Als Lichtsender wercib , häufig IR-Leuchtdioden und als Lichtempfänger Fototransistoren verwendet. Der Gewinnung der Drehzahlimpuise dienen in der Mehrzahl der Fälle auf dem Rotor oder auf einer Welle angeordnete Rasterscheiben. Die mit derartigen Schaltungsanordnungen erzielbare Genauigkeit der Drehzahlmessung ist insbesondere bei hohen Drehzahlen

unbefriedigend bis unakzeptabel. Falls Reflexrasterscheiben mit einer hohen Segmentzahl verwendet werden, gilt dies schon für niedrigere Drohzahlen. Der Grund hierfür liegt darin, daß diese Schaltungen nur relativ niedrige Impulsfrequenzen verzerrungsfrei verarbeiten können, obwohl die Grenzfrequenzen der elektronischen Lichtempfänger, z.B. Fototransistoren, höhere Frequenzen zuließen.

Infolge alterungsbedingter Änderungen des Lichtsenders und -empfängers, betriebsbedingter Verschmutzungen aller Abtastelemente und Schwankungen des Abstandes der Impulsscheibe zu dem Lichiempfänger und dem Lichtsender während

des Betriebes sind keine konstanten Bedingungen für eine exakte Impulsgewinnung und Meßwertbildung gegeben. Diaser

Mangel äußert sich hauptsächlich in der Inkonstanz des Tastverhältnisses der erzeugten Impulse. Einem Teil dieser Veränderungen wird durch erneuten Abgleic'i, spätestens nach Funktionsfall der Abtaststufe, begegnet. Hinzu kommt zu dieser Erscheinung noch die Drehzahlabhängigkeit des Tastverhältnisses der elektrischen Impulse infolge des Einflusses der Bauelementeschaltzeiten. Exemplarstreuungen insbesondere der L'juchtdioden erfordern ein Einstellen ihrer Stromstärke vor der ersten Inbetriebnahme. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen wird der Lichtsender mit der eingestellten Stromstärke gespeist, auch bei Rotorstillstand. Dies setzt die Lebensdauer des Lichtsenders herab. Die bekannten Schaltungsenordnungen beinhalten keine Anzeige eines bedrohlichen Ausmaßes der funktions- und alterungsbedingten Veränderungen des Meßsignals. Erst durch Drehzahlmeßfehler wird die fehlerhafte Impulserzeugung offenbar. Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, auch für hohe Drehzahlen die erforderliche Meßgenauigkeit zu gewährleisten, ein konstantes Tastverhältnis der gewonnenen Impulse zu sichern, Einstell· bzw. Abgleicharbeiten zu vermeiden, die Lebensdauer dos Lichtsenders zu erhöhen und ein bedrohliches Ausmaß von Veränderungen des Meßsignals anzuzeigen.

Darlegung des Wesons der Erfindung Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur optoelektronischen Drehzahlabtastung, insbesondere

an Zentrifugen, zu entw'ckeln, die eine hohe Müßgenauigkeit bis zu hohen Drehzahlen hin und ein konstantes Tastverhältnis der

Impulse unabhängig von der Drehzahl, von Alterungserscheinungen der optoelektronischen Abtastelemr nte, von Verschmutzungen und von betriebsbedingten Abstandsänderungen aufweist, ohne Einstell- bzw. Abgleicharboiten auskommt,

die Lebensdauer des Lichtsenders erhöht und ein definiertes Ausmaß von Veränderungen des Meßsignals anzeigt. Die Lösung dieser Aufgabe schließt als uekanme Elemente einen Lichtsender und einen Lichtemptanger ein, die eine Rasterscheibe abtasten.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen: Der Lichtempfänger ist mit einem Anschluß an eine Kaskodestufe und mit dem ande>en Anschluß an eine Konstantstromquelle

angeschlossen. Die Emitterschaltung der Kaskodestufe ist gleichzeitig Bestandteil der Konäianistromquelle, die ferner zwischen der Basiselektrode und dem einen Betriebsspannungspol eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem

Referenzelement aufweist. Der Ausgang der Kaskodestufe ist mit dem einen Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers,

einem retriggerbaren Monoflop, dem Ausgang einer Schaltstufo und einer Meßwertschaltung verbunden. Derrv?i«e Eingang des integrierenden Differenzverstärkers ist an einen Spannungsteiler angeschlossen. Der Ausgang des integrierenden

Differenzverstärkers ist an eine Triggerstufe und über den Lichtsender und einen Begrenzungswiderrtand an den anderen Betriabsspannungspol geführt. Der Ausgang des retriggerbaren Monoflops ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes

verknüpft, dessen zweiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung beschaltet ist. Der Ausgang des UND-Gliedes steht mit dem

Eingang der Schaltstufe in Verbindung. In einer zweckmäßigen Ausführung ist weiterhin vorgesehen: Die als Lichtsender verwendete IR-Leucbtdiode und der Begrenzungswiderstand bilden den Lastwiderstand eines Leistungstransistors in Kollektorschaltung. Der Ausgang der Triggerstufe ist mit einem optischen Signalgeber und einer Fehlerauswerteschaltung verbunden. Ausführungsbeispiel Die zugehörige Zeichnung zeigt den Stromlaufplan einer ausgeführten Schaltungsanordnung, die für die Drehzahlmessung

einer Ultrazentrifuge bestimmt ist.

Der Lichtsender, eine IR-Leuchtdiode 1 und der Lichtempfänger, ein Fototransistor 2, sind ganz in der Nähe einer nicht

dargestellten Reflexrastorscheibe am Gestelle einer Zentrifuge angebracht. Die Reflexrasterscheibe ist auf der Rotorwelle fest angeordnet.

Der Fototransistor 2 besitzt zwei Anschlüsse 3,4. Der Anschluß 3 ist direkt an den Koppelsteg 5 einer Kaskodestufe geführt. Die Kaskodestufe setzt sich aus einem Transistor 6 in Basisschaltung und einem Arbeitswiderstand 7 sowie aus einem Transistor 8

in Emitterschaltung zusammen. Sie ist an einen positiven Betriebsspannungspol +Ub und einen negativen

Betriebsspannungspol -U_B angeschlossen. Der Anschluß 4 steht über einen Widerstand 10 mit der Basiselektrode 11 des Transistors 8 in Verbindung. Zwischen der Basiselektrode 11 und dom negativen Betriebsspannungspol -Ua sind parallel ein Widerstand 12 und eine als Referenzelement verwendete Lichtdiode 13 geschaltet. Der Transistor 8, der Arbeitswiderstand 9, der Widerstand 10, der Widerstand 12 und die Leuchtdiode 13 bilden in der dargestellten Zusammenschaltung eine Konstantstromquelle. Der Ausgang 14 der Kaskodestufe ist mehrfach beschaltet. Eine Anschlußleitung 15 führt zu einer die Drehzahlimpulse verar' -jitenden Meßwertschaltung 16. Der Ausgang 14 ist weiterhin

über einen Widerstand 17 an den invertierten Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers 18 geführt. Außerdem ist er mit dem Eingang B eines retriggerbaren Monoflop 19 und dem Ausgang einer Schaltstufe 20 verbunden. Der nichtinvertierte

Eingang des Differenzverstärkers 18 ist an einen Spannungsteiler angeschlossen, der von den Widerständen 21 und 22 gebildet Der Ausgang 23 des integrierenden Differenzverstärkers 18 ist über einen Widerstand 24 mit der Basiselektrode eines Leistungstransistors 25 in Kollektorschaltur j verknüpft. Der Lastwiderstand desselben wird von der IR-Leuchtdiode 1 und einem Begrenz'jngswiderstand 26 gebildet. Zwischen der Basiselektrode und dem positiven Betriebsspannungspol +U₈ ist eine Schutzdiode 33 eingefügt. Zwischen der Emitterelektrode des Leistungstransistors 25 und dem Eingang einer Triggerstufe 27 besieht eine leitende Verbindung. Als Triggerstufe 27 wird ein Schmitt-Trigger verwendet. An den Ausgang der Triggerstuie 27 sind ein optischer Signalgeber, Z₁B. eine Leuchtdiode 28, und eine Fehlerauswerteschaltung 29 angeschlossen. Der Ausgang Q des retriggerbaren Monoflop 19 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 30 verknüpft, dessen zweiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung 31 belegt ist. Der Ausgang des UND-Gliedes 30 ist über einen Widerstand 32 an den Steuereingang der Schaltstufe 20, eines Schalttransistors, geführt. Der Schaittransistor ist in Emitterschaltung gciclmüe;. Die beschriebene Schaltungsanordnung besitzt folgende Funktionsweise:

Beim Übergang in den Startzustand der Zentrifuge erhält der eine Eingang des UND-Gliedes 30 über die Start-Stop-Leitung 31 L-Pegel. Dar dann am Ausgang des UND-Gliedes 30 Siegende L-Pegel sperrt die Schaltstufe 20. Der Fototransistor 2 erhält noch kein Licht, wodurch der Transistor 8 gesperrt ist. Der Kondensator des integrierenden Differenzverstärkers Ί8 lädt sich auf und steuert über dessen Ausgang den Leistungstransistor 25 durch. Die IR-Leuchtdiode 1 bekommt Strom und leuchtet auf. Beginnt sich jetzt der Rotor zu drehen, gelangen Lichtirr.pulse von der Reflexrasterscheibe auf den Fototransistor 2, der di ι Konstantstromquelle 8,9,10,11,12,13 ein und ausschaltet. Dadurch wird auch der Transistor β der Kaskodestufe S, 6,7,8,9 geschaltet. An seinem Arbeitswiderstand 7 entstehen Impulse, die am Ausgang 14 den angeschlossenen Funktionsstufen 16,18, 19 zur Moßwertbildung, Regelung und Überwachung zur Verfügung stehen. Über die A' ischlußleitung 15 gelangen die Impulse zur Meßwertschaltung 16.

Der Ausgang Q des retriggerbaren Monoflops 19 kippt in den L-Zustand, was am Ausgang des UND-Gliedes 30 keien Änderung bewirkt.

Die Impulse laden den Kondensator des Differenzverstärkers 18 auf und entladen ihn, wobei sich über ihn ein Mittelwert der Impulsspannung einstellt. Oieser Mittelwert wird vom Differenzverstärker 18 mit der vom Spannungsteiler 21,22 abgegriffenen Spannung verglichen. Bei Gleichheit, d.h. bei unverändertem Tastverhältnis der Impulse, bleibt die Spannung am Ausgang 23 des Differenzverstärkers 18 konstant. Dadurch ändert sich auch der Strom durch die IR-Leuchtdiode 1 nicht. Abstandsänderungen der Reflexrasterscheibe zu der IR-Leuchtdiode 1 und/oder dem Fototransistor 2, die Alterung beider Elemente und die Verschmutzung der Reflexrasterscheibe führen zu einem anderen Tastverhältnis der Impulse am Arbeitswiderstand 7, was sich in einer Änderung des Mittelwertes der Impulsspannung über dem Kondensator äußert. Die dadurch bewirkte Spannungsdifferenz am eingang des Differenzverstärker 18 wird von diesem verstärkt und veranlaßt den Leistungstransistor 25 zu einer Änderung des Stromes durch die IR-Leuchtdiode 1, wodurch deren Lichtstärke eine Änderung erfährt. Die Lichtstärkeänderung ist derart, daß sie ihrer Ursache, der Änderung des Tastverh'jltnisses, entgegenwirkt und sie praktisch aufhebt.

Damit liegt eine Regeiu.f Hes Tastverhältnisses vor. Regelstrecke ist die Abtaststrecke, Regler der integrierende Differenzverstärker 18, Sollwertgeber der Spannungsteiler 21,22 und Stellglied der Leistungstransistor 25 und die IR-Leuchtdiode 1.

Die Verwendung der Kaskodestufe 5,6,7,8 zur Verstärkung der Impulse und die Tastung der Konstantstromquelle 8,9,10,11,12, 13 ermöglichen es, Drehzahlimpulse bis zu höchsten Frequenzen verzerrungsfrei zu erzeugen.

Solange der Regler noch regeln kann, d. h. der Leistungstransistor 25 sich noch nicht in der Sättigung befindet, wird dies über ein L-Potential am Ausgang des Schmitt-Triggers 27 durch Leuchten der Leuchtdiode 28 angezeigt. Fließt bei Sättigung des Leistungstransistors 25 der durch den Begrenzungswiderstand 26 festgelegte Maximalstrom durch die IR-Leuchtdiode 1, geht der Ausgang des Schmitt-Trigger 27 auf Η-Pegel. Die Leuchtdiode 28 erlischt, die Fehlerauswerteschaltung erhält ein Signal. Im Stopzustand der Zentrifuge erhält ein Eingang des UND-Gliedes 30H-Potential. Bei Stillstand des Rotors liefert der retriggerbare Monoflip 19 wegen fehlender Impulse an seinem Ausgang Q Η-Potential. Dadurch ergibt sich am Ausgang des UND-Gliedes 30 ebenfalls Η-Potential. Der Schalttransistor 20 wird leitend. Der Kondensator entlädt sich über den Widerstand 17; der Differenzverstärker 18 geht in die positive Sättigung, sperrt den Leistungstransistor 25 und schaltet damit den Strom durch die IR-Leuchtdiode 1 ab. Der gesperrte Leistungstransistor 25 bewirkt Η-Potential am Eingang des Schmitt-Triggers 27, dessen Ausgang auf L-Pegel geht und die Leuchtdiode 28 einschaltet. Die eingeschaltete Leuchtdiode 28 zeigt im Stopzustand der Zentrifuge das Abschalten der IR-Leuchtdiode 1 an.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur optoelektronischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen, mit einem Lichtsender und einem Lichtompfänger, gekennzeichnet dadurch, daß der Lichtempfänger (2) mit einem Anschluß (3) an eine Kaskodestufe (5,6,7,8} und mit dem anderen Anschluß (4) an eine Konstantstromquello (8,9,10,11,12,13) angeschlossen ist, wobei die Ermitterschaltung (8) der Kaskodestufe (5,6,7,8) gleichzeitig Bestandteil der Konstantstromquelle (8,9,10,11,12,13) ist, die zwischen der Basiselektrode (11) und dem einen Betriebsspannungspol (-Us) eine Parallelschaltung eines Widerstandes (12) und eines Referenzelementes (13) aufweist, der Ausgang (14) der Kaskodestufe (5,6,7,8) mit der Meßwertschaltung (16), mit dem einen Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers (18), mit einem retriggerbaren Monoflop (19) und dem Ausgang einer Schaltstufe (20) verbunden ist, der zweite Eingang des integrierenden Differenzverstärkers (18) an einem Spannungsteiler (21,22) angeschlossen ist, der Ausgang (23) des integrierenden Differenzverstärkers (18) an eine Triggerstufe (27) und über den Lichtsender (1) und einen Begrenzungswiderstand (26) an den anderen Betriebsspannungspol (+Ub) geführt ist, der Ausgang (Q) des retriggerbaren Monoflops (19) mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes (30) verknüpft ist, dessen /weiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung (31) beschaltet ist, und der Ausgang des UND-Gliedes (30) mit dem Eingang der Schaltstufe (20) in Verbindung steht.

2. Schaltungsanordnung zur optoelektronischen Drehzahlerfassung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die als Lichtsender dienende IR-Leuchtdiode (1) und der Begrenzungswiderstand (26) den Lastwiderstand eines Leistungstransistors (25) in Kollektorschaltung bilden und der Ausgang der Triggerstufe (27) mit einem optischen Signalgeber (28) und einer Fehlerauswerteschaltung (29) verbunden ist.