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Verfahren zur Ermittlung der Länge oder der auf die Zeiteinheit bezogenen
Längenänderung ausgefahrener Seile Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Ermittlung der Länge oder der auf die Zeiteinheit bezogenen Längenänderung ausgefahrener
Seile, bei dem an einem raumfesten Bezugspunkt auf das Seil eine als Welle auf das
Seilende laufende und dort reflektierte Schwingung gegeben wird.
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Mit dem Übergang zur vollautomatischen Steuerung von Fördermaschinen
und Haspeln werden auch an die Verfahren zur Messung der Seillängen immer größere
Genauigkeitsanforderungen gestellt. Die ältesten Methoden zur Messung der ablaufenden
Seillänge sind rein mechanisch. Bei ihnen bewirkt die lineare Bewegung des Seiles
in einem Meßorgan eine Drehbewegung. Die Anzahl der Umdrehungen ist dabei der ausgefahrenen
Seillänge proportional und kann daher zur Messung der Seillänge dienen. Soweit nicht
die Seilscheiben unmittelbar als Meßorgan benutzt werden, werden besondere Meßräder
für diese Aufgabe vorgesehen, die unter einem bestimmten Druck gegen das Seil gepreßt
werden.
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Statt die Drehbewegung des Meßorgans mechanisch auf ein Zählwerk
wirken zu lassen, kann eine der linearen Bewegung des Seiles proportionale Drehbewegung
auch zum Antrieb eines Meßgenerators dienen, der eine der Seillänge entsprechende
elektrische Größe liefert. Statt eines Meßgenerators kann auch ein elektrisch, lichtelektrisch,
magnetisch oder radioaktiv betriebener Impulsgeber verwendet werden, in dem das
durchlaufende Seil eine seiner ausgefahrenen Länge entsprechende Anzahl von elektrischen
Impulsen hervorruft, deren Anzahl dann ein Maß für die Seillänge ist. Während bei
diesem Verfahren die Impulse durch die Seilbewegung hervorgerufen werden, sind auch
Verfahren bekannt, bei denen Impulse unabhängig von der Seilbewegung in einem Impulsgenerator
erzeugt werden. Bestehen diese Impulse aus Paketen elektromagnetischer oder akustischer
Wellen, so werden diese in Richtung auf das Seilende von einem geeigneten Sender
abgestrahlt, am Seilende reflektiert und von einem an einem festen Bezugspunkt angebrachten
Empfänger wieder empfangen. In diesem Fall ist die Laufzeit vom Sender über das
Seilende zum Empfänger ein Maß für die Seillänge.
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Die Anwendung dieser aus der Funkmeß-und Echolotpraxis bekannten
Verfahren bereitet jedoch in Förderanlagen u. dgl. Schwierigkeiten, da sich im allgemeinen
in unmittelbarer Nähe des Seiles Flächen befinden, die die vom Sender abgestrahlten
Signale ebenfalls reflektieren und somit zu Fehlmessungen führen. Um diese störenden
Echos auszuschalten, ist eine scharfe Bündelung der abgestrahlten Wellenpakete erforderlich.
Die eine derartige Bündelung ermöglichenden Mittel verlangen aber einen Raum, der
nicht zur Verfügung steht.
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Um eine ausreichende Meßgenauigkeit von einigen Zentimetern zu erzielen,
sind Impulszeiten erforderlich,
deren technische Beherrschung gleichfalls Schwierigkeiten
bereitet.
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Neben den Impulsverfahren, bei denen die Sendeleistung nur kurzzeitig
abgestrahlt wird, sind auch Frequenzmodulationsverfahren bekannt. Bei diesen wird
die Differenz der reflektierten empfangenen Welle und der im Augenblick ihres Empfanges
gerade abgestrahlten Welle oder der Frequenz einer Hilfsschwingung der Wegbestimmung
zugrunde gelegt. Aber auch diese bekannten Verfahren sind zur Lösung der eingangs
beschriebenen Aufgabe. nicht geeignet, da ihre Genauigkeit nicht ausreichend ist.
Während beispielsweise bei den Funkortungsverfahren Genauigkeiten in der Größenordnung
von einem Meter völlig ausreichend sind, muß bei der Seillängenmessung die Genauigkeit
in der Größenordnung von Zentimetern liegen.
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Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, ist ein mit hochfrequenten elektromagnetischen
Wellen arbeitendes Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem an einem festen Bezugspunkt
auf das Seil eine längs des Seiles in Richtung auf das Seilende laufende und dort
reflektierte hochfrequente elektromagnetische Welle gegeben wird, die bei Vielfachen
der halben Wellenlänge entsprechenden Seillängen zu stehenden Wellen führt, deren
ein Maß für die Seillänge bildende Anzahl gegebenenfalls in Abhängigkeit von der
Bewegungsrichtung des Seiles registriert wird.
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Dieses Verfahren setzt gleichbleibende Eigenschaften des Leitungsweges
der Welle voraus, da nur dadurch eine gleichbleibende Wellenlänge sichergestellt
wird. Es muß aber damit gerechnet werden, daß auf diesem Weg Störgrößen auf die
Welle einwirken können, die zu einer Verzerrung der Ausbildung stehender Wellen
führen können.
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Andererseits ist es mit dieser Anordnung nicht möglich, Seillängen,
die keine Vielfachen der halben Wellenlänge sind, genau zu erfassen. Unberücksichtigt
bleiben bei dem vorgeschlagenen Verfahren auch auf dem Doppler-
Effekt
bei bewegtem Seilende beruhende Änderungen der Wellenlange.
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Die genannten Nachteile lassen sich mit einem Verfahren zur Ermittlung
der Lange oder der auf die Zeiteinheit bezogenen Längenänderung ausgefahrener Seile
vermeiden, bei dem an einem raumfesten Bezugspunkt auf das Seil eine als Welle auf
das Seilende laufende und dort reflektierte Schwingung gegeben wird, deren erfinderische
Kennzeichen darin bestehen, daß die Frequenz der Schwingung mit einer kleineren,
nach einem festen Programm zeitlich veränderlichen Frequenz moduliert wird und die
sich aus der Überlagerung der modulierten Frequenz der Ausgangsschwingung mit der
Frequenz der empfangenen reflektierten Welle ergebende Frequenzdifferenz unter Zählung
der aufgetretenen Frequenzmaxima gemessen wird. Hierzu sind sowohl elektromagnetische
als auch akustische, insbesondere nicht im
Tonfrequenzbereich liegende Schwingungen
geeignet. Andert man die Modulationsfrequenz beispielsweise sägezahnförmig, so kann
man die Frequenz/\ der auf das Seilende gegebenen Schwingung durch den Ausdruck
darstellen f, tl fo + F (I-nT).
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Hierin bedeutet fO eine konstante Frequenz, F die Frequenzänderung
pro Zeiteinheit, t die Beobachtungszeit, T die Frequenzänderungsperiode und n eine
der ganzen Zahlen 1, 2,3..., die zur Zeit t so groß ist, daß (n-1) < t < n.
Beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der längs des Seiles laufenden Welle c und
bewegt sich der Reflektor am Seilende mit einer Geschwindigkeit i v, so hat, wenn
die Seillänge zur Zeit t I ist und 21 = s und 2-ti .-v gesetzt werden, die am Sendeort
zur Zeit t empfangene Welle einer Frequenz
Hierin bedeutet m wiederum eine der ganzen Zahlen 1, 2,3... einer solchen Größe,
daß zur Zeit t gilt (n---1) > (m-1) < t-S <m. c Bildet man am Empfangsort
die Differenz beider Frequenzen, so ergibt sich hierfür der Ausdruck
Der zweite und dritte Summand werden durch den Dopplereffekt hervorgerufen. Er sei
zunächst vernachlässigt. Der Quotient der verbleibenden Gleichung entspricht der
Laufzeit der Welle z. Da während der Frequenzänderungsperiode T die Welle einen
Weg so zurücklegt, kann man die Laufzeit z in Vielfachen der Frequenzänderungsperiode
T und einer verbleibenden I aufzeit z'darstellen. Hierfür gilt z = (n-m) T +' wobei
die Ungleichung erfüllt sein muß 0<z'< (n-m) T.
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Aus der Gleichung für die Frequenzdifferenz Sf folgt, daß es sein
Maximum hat für limE (n-m-e) T.
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£40 Da diese Gleichung fiir alle n und m gilt, tritt bei Fortschreiten
von m nach n eir. Frequenzdifferenzmaximum so oft auf, wie ganze Zahlen zwischen
beiden liegen, d. h., bei n-m = q treten q Frequenzdifferenzmaxima auf. Zählt man
also, wenn man die Seillänge von einer bestimmten bekannten Lage ab ändert, die
auftretenden Frequenzdifferenzmaxima und mißt man darüber hinaus die Frequenzdifferenz,
so kann man aus beiden die genaue Seillänge berechnen, die sich ergibt zu I = A
(q B + d f C).
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In dieser Gleichung sind die auftretenden Konstanten in A, B und C
zusammengefaßt. Diese Konstanten können in der Meßanordnung mit eingeeicht werden.
Vorteilhaft ist es dabei, zur Messung der Seillänge unter Vernachlässigung des Dopplereffektes
die Frequenzdifferenz einer auf einen in Längeneinheiten unterteilten Zeigerfrequenz--messer
wirkenden Frequenzmeßeinrichtung zuzuführen.
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Um bei der Zählung der Frequenzdifferenzmaxima die Verlängerung oder
die Verkürzung des Seiles zu berücksichtigen, kann diese in Abhängigkeit von der
Drehrichtung der Seiltrommel oder von dem Vorzeichen der
Frequenzänderung derart
erfolgen, daß die Frequenzmaxima bei Drehrichtung der Seiltrommel im Sinne einer
Verlängerung des Seiles oder bei positivem Vorzeichen der Frequenzänderung positiv,
bei Drehrichtung der Seiltrommel im Sinne einer Verkürzung des Seiles oder bei negativem
Vorzeichen der Frequenzänderung negativ gezählt werden. Auf besondere Mittel zur
Zählung det Frequenzmaxima kann man verzichten, wenn der Frequenzmesser mit aneinander
anschließenden Meßbereichen für das in Frage kommende Frequenzgebiet derart ausgelegt
ist, daß bei Erreichen der Grerizen des Frequenzgebietes die weitere Anzeige im
folgenden Meßbereich erfolgt. Bei einem derartig beschaffenen Frequenzmesser wird
das Erreichen eines Frequenzmaximums durch Übergang in einen anderen Meßbereich
angezeigt, so daß die Seillänge an dem Zeiger eines Instrumentes abgelesen werden
kann. Der an dem Frequenzmeßinstrument jeweils anstehende Wert kann in an sich bekannter
Weise Anordnungen zur Steuerung oder Regelung der Seillänge zugeführt werden.
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Bei dem bisher beschriebenen Verfahren wurde der Dopplereffekt vernachlässigt.
Berücksichtigt man ihh ; so ist es möglich, über ihn die Geschwindigkeit, mit der
sich die Seillänge ändert, zu erfassen. Gegenüber dem Ausdruck sind die Glieder
-+-7')--s von zu vernachlässigender Größenordnung. Sieht man darüber hinaus v während
der Meßzeit als konstant an, so kann man bei bekannter Seillänge die Überlagerungsfrequenz
zusammen mit der Seillänge auf ein in Geschwindigkeitseinheiten unterteiltes Frequenzmeßgerät
zur Einwirkung bringen und an ihm die Geschwindigkeit ablesen.
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Durch Differentiation des auf das Meßinstrument einwirkenden Wertes
kann man auch die Seilbeschleunivng bestimmen. Ist die Seillänge nicht auf Grund
anderet-Messungen bereits bekannt, so ist es auch möglich, nach dem angegebenen
Verfahren sowohl Seillänge als auch Geschwindigkeit zu ermitteln, wenn man eine
zunächst unter Vernachlässigung des Dopplereffektes ermittelte, der Seillänge entsprechende
elektrische Größe dem Meßglied für die Ermittlung der Geschwindigkeit, mit der sich
die Seillänge ändert, zuführt und eine ihr propostionale elektrische Große anschließend
als Korrekturglied bei der Seillängenmessung berücksichtigt und die der der korrigierten
Seillänge zugeordnete elektrische
Größe wiederum in das Meßglied
für die Geschwindigkeit bei fortlaufender Wiederholung der beiden letzten Stufen
des Vorganges einführt.