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Elektronisches Verfahren zur digitalen Ermittlung von Beschleunigung
und zurückgelegtem Weg bei Bewegungsvorgängen Die Erfindung bezieht sich auf ein
elektronisches Verfahren zur digitalen Ermittlung von Beschleunigung und zurückgelegtem
Weg bei Bewegungsvorgängen, aus elektrisch, lichtelektrisch od. dgl. zur Erfassung
der Geschwindigkeit gebildeten Impulsfolgen, mit der Geschwindigkeit proportionaler
Frequenz, bei dem die Anzahl der in vorgegebenen Zeitintervallen auftretenden Impulse
je für sich gezählt, gespeichert und angezeigt wird.
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Die bisher angewendeten Verfahren zur Ermittr lung derartiger Bestimmungsgrößen
gehen von der Messung eines Analogwertes der Geschwindigkeit beispielsweise einer
ihr analogen Spannung aus. Zur Messung der Beschleunigung wird dieser Meßwert differenziert
bzw. zur Messung des zurückgelegten Weges integriert. Dabei sind der Erhöhung der
Genauigkeit Grenzen gesetzt, die für manche Fälle in der Meß- und Regelungstechnik
überschritten werden müssen. Zur Messung von Geschwindigkeiten mit sehr großen Genauigkeiten
sind auch digitale Verfahren bekannt. Handelt es sich beispielsweise um die Erfassung
der Winkelgeschwindigkeit eines Motors, so ist es üblich, auf die Welle des Motors
eine Schlitzscheibe zu setzen, die bei Drehung die von einer Lichtquelle ausgehende
und auf einen lichtelektrischen Empfänger auftreffende Strahlung periodisch unterbricht.
Die von dem lichtelektrischen Empfänger abgegebene Spannung hat dann eine Frequenz,
die der Geschwindigkeit proportional ist. Sie kann als Wechselspannung oder als
Impulsspannung Meßinstrumenten zugeführt werden, die eine ihrer Frequenz entsprechende
Anzeige liefern. Liegt eine Impulsspannung vor, so ist es auch bekannt, die in einem
vorgegebenen Zeitintervall eintreffenden Impulse jeweils in einer Zählanordnung
zu zählen. Das Zählergebnis ist dann unmittelbar ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit,
die der Motor in dem jeweiligen Zeitintervall gerade hat.
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Bei diesem Verfahren ist es aber mit den üblichen Integrations- bzw.
Differentationsmethoden nicht möglich, den zurückgelegten Weg bzw. die Beschleuni
gung zu erhalten, da die aus der analogen Meßtechnik bekannten Schaltungselemente
dafür nicht verwendet werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Beschleunigung und
zurückgelegten Weg mit hoher Genauigkeit, aber geringerem Aufwand aus digitalen
Geschwindigkeitsmessungen zu ermitteln. Dies ist mit dem elektronischen Verfahren
zur digitalen Ermitt-Iung von Beschleunigung und zurückgelegtem Weg bei Bewegungsvorgängen,
aus elektrisch, lichtelektrisch od. dgl. zur Erfassung der Geschwindigkeit gebildeten
Impulsfolgen, mit der Geschwindigkeit proportionaler Frequenz, bei dem die Anzahl
der in vorgegebenen Zeitintervallen auftretenden Impulse je für sich gezählt, gespeichert
und angezeigt wird, nach der Erfindung möglich, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß zur Bestimmung des zurückgelegten Weges alle während der gesamten Meßzeit auflaufenden
Impulse gezählt werden und zur Bestimmung der Beschleunigung die Differenz der in
aufeinanderfolgenden Zeitintervallen gezählten Impulszahlen gebildet wird. Läßt
man die Zählergebnisse der einzelnen Zähler nebeneinander auflaufen oder steuert
man durch sie ein Registrierorgan, so erhält man zugleich auch ein anschauliches
Bild für den Beschleunigungsverlauft Sollen die gemessenen Werte Steuer- oder Regelvorgängen
aufgeschaltet werden, so bereitet diese Weiterverarbeitung ebenfalls keine Schwierigkeiten.
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Zur Bildung der Zeitintervalle kann ein Normalfrequenzgenerator dienen,
der vom Beginn des Bewegungsvorganges an über einen elektronischen Schalter durch
eine aus bistabilen Kippstufen aufgebaute Steuerstufe eine Diodenmatrix so beeinflußt,
daß über eine aus Transistoren aufgebaute Schaltstufe die eintreffenden Impulse
für jedes Zeitintervall getrennten Zählern zugeführt werden. Mit dem Ablauf des
Zeitintervalles, das den letzten Zähler eingeschaltet hat, kann über eine bistabile
Kippstufe eine Abschaltung durch den elektronischen Schalter erfolgen. Dies sind
jedoch nur Beispiele für die Mög-
lichkeiten der Durchführung des
Verfahrens nach der Erfindung.
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An Hand der Fig. 1 soll diese beispielsweise Anordnung näher erläutert
werden. Es sei angenommen, daß die Beschleunigung und die Winkelgeschwindigkeit
eines Prüflings 1 und der dabei von einem Punkt auf der Läuferwelle zurückgelegte
Weg gemessen werden sollen. Zu diesem Zweck ist auf die Welle des Prüflings eine
Schlitzscheibe 2 aufgebracht, die den von der Lichtquelle3 ausgehenden Strahlengang
durchsetzt, der auf den lichtelektrischen Empfänger 4 trifft. Handelt es sich beispielsweise
an Stelle einer Rotationsbewegung um eine Translationsbewegung, so kann auch diese
in ähnlicher Weise lichtelektrisch erfaßt werden, so daß in allen Fällen eine rechteckförmige
Impulsspannung auftritt, deren Freqenz der Geschwindigkeit proportional ist.
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Die Impulsspannung, die von dem lichtelektrischen Empfänger 4 ausgeht,
wird einer Schalteranordnung 5 zugeführt und über diese an einen der Zähler für
die Impuiszählung weitergeleitet. In der Fig. 1 sind nur die beiden Zähler 6 und
8 eingezeichnet.
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Vor Beginn des Meßvorganges verhindert die Schalteranordnung 5, daß
die Zähler auf die Impulse ansprechen. Mit der Einschaltung des Meßvorgangs wird
der erste Impuls der in dem lichtelektrischen Empfänger entstehenden Impuls spannung
dem Startimpulsgeber 9 zugeführt. Dieser schließt den elektronischen Schalter 10,
so daß die Impulse des Impulsgenerators 11 auf die aus bistabilen Kippstufen bestehende
Steueranordnung 12 treffen können. Der Impulsgenerator bestimmt die Länge der Zeitintervalle,
in denen die Impulse von einem Zähler gezählt werden sollen. In dem Beispiel ist
angenommen, daß sechzehn Zähler vorhanden sind von denen jeder die innerhalb des
Zeitintervalls auflaufenden Impulse zählt. Zur Umschaltung von einem Zähler auf
den anderen dient die Steueranordnung 12 in Verbindung mit der Diodenmatrix 13.
In Abhängigkeit von den sie beaufschlagenden Impulsen des Impulsgenerators 11 kippen
die Kippstufen der Steueranordnung 12 in den einen oder anderen Zustand. Das Leitfähigsein
der einzelnen Kippteile beeinflußt die Diodenmatrix 13, die mit sechzehn Ausgängen
versehen ist. An diese sechzehn Ausgänge sind sechzehn elektronische Schalter der
Schalteranordnung 5 gelegt, die jeweils einen der sechzehn Zähler, von denen, wie
erwähnt, nur die Schalter 6 und 8 gezeichnet sind, zur Einwirkung durch die Eingangsimpulse
freigeben.
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Von dem Impuls des Impulsgenerators 11, der die Beendigung des Zeitintervalls
darstellt, in dem der sechzehnte Zähler gezählt hat, wird zusätzlich die bistabile
Kippstufe 14 beaufschlagt. Das Kippen dieser Kippstufe in ihren anderen Zustand
hat zur Folge, daß der elektronische Schalter 10 geöffnet und somit der Meßvorgang
beendet wird. In der Anzeigevorrichtung 15 können die Zählergebnisse der einzelnen
Zähler summiert oder subtrahiert werden, so daß in ihr neben den Zählergebnissen,
die der Geschwindigkeit entsprechen, die Zählergebnisse für den zurückgelegten Weg
bzw. die Beschleunigung abgelesen werden können. Neben einer grafischen Registrierung
kann die Aufzeichnung auch auf Oszillographen usw. erfolgen. Zur Speicherung des
Zählergebnisses können auch Schieberegister, Magnetkernspeicher usw. verwendet werden.
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In Fig. 2 sind Beispiele für die Verwirklichung des Blockschaltbildes
der Fig. 1 gegeben. Dabei sind
für die einzelnen Schaltungsteile die gleichen Bezugsziffern
wie in Fig. 1 benutzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind für die Durchführung
der einzelnen Schaltmaßnahmen Transistoren und Transistorkippstufen verwendet. Soweit
es sich dabei um bekannte Schaltungselemente handelt, ist auf eine ins einzelne
gehende Beschreibung verzichtet. Der von dem lichtelektrischen Empfänger ausgehende
erste Impuls trifft über die Eingangsklemme 16 auf den Startimpulsgeber 9. Dieser
wirkt zunächst steuernd auf die bistabile Kippstufe 17. Um ein sicheres Schalten
des elektronischen Schalters 10 zu erreichen, wird der entsprechende Ausgangsimpuls
der Kippstufel7 zunächst der monostabilen Kippstufe 18 zugeleitet, deren Ausgang
an den elektronischen Schalter 10 geführt ist. Dieser elektronische Schalter besteht
aus den Transistoren 19 und 20. Die Basis des Transistors 20 ist an den Impulsgenerator
11 geführt.
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Bei entsprechender Steuerung des Transistors 19 durch den Startimpulsgeber
9 werden die Impulse des Impulsgenerators 11 den bistabilen Kippstufen der Steueranordnung
12 zugeführt. Da die Schaltungen dieser Kippstufen bekannt sind, sind sie zur Vereinfachung
nicht dargestellt. Entsprechend den sechzehn für die Zählung vorgesehenen Zählern
sind vier Kippstufen angenommen. Der sechzehnte Impuls muß dabei gleichzeitig die
Abschaltung bewirken. Zu diesem Zweck wird er über die letzte Kippstufe der Steueranordnung
12 der Kippstufe 14 zugeführt. Das Kippen dieser Kippstufe bewirkt eine solche Steuerung
des Transistors21, daß die Impulse des Impulsgenerators 11 nicht mehr auf die Steueranordnung
12 wirken können. Die acht Ausgänge der Kippstufen der Steueranordnung 12 beaufschlagen
die Transistoren des Übertragungsgliedes 23, das an die Diodenmatrix 13 geführt
ist. Durch die Diodenmatrix werden die einzelnen Kippteile der Kippstufen der Steueranordnung
12 derart kombiniert, daß die sich ergebenden sechzehn verschiedenen Kombinationen
an sechzehn verschiedenen Ausgängen eine Spannung entstehen lassen. Diese Spannungen
werden an der Klemmenleiste24 abgegriffen und der Schalteranordnung 5 zugeführt.
Diese Schalteranordnung enthält sechzehn elektronische Schalter, von denen nur die
drei Schalter 26 bis 28 angedeutet sind.
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Jeder Schalter besteht aus zwei Transistoren, von denen die Basis
des einen an den zugehörigen Ausgang der Diodenmatrix 13 geführt ist. Die Eingangsimpulse,
die durch Abtastung des Bewegungsvorganges gewonnen werden, sind über den Transistor
25 an die Basis des jeweils anderen Transistors geführt.
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In Abhängigkeit von der Ausgangsspannung der Diodenmatrix werden die
Eingangsimpulse über jeweils einen Schalter auf einen der sechzehn Zähler gegeben,
von denen nur die Zähler 6, 7 und8 angedeutet sind. Diese Zähler können gleichfalls
wiederum rein elektronisch aufgebaut sein. Auch die dafür in Frage kommenden Schaltungen
sind bekannt.
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Mit 29 ist gestrichelt ein weiterer Zähler angedeutet, der alle Eingangsimpulse
zählt und somit ein Maß für den zurückgelegten Weg ist. Der Zähler 30 dient zur
Bildung der Bestimmungsgröße für die Beschleunigung. Er ist mit dem Eingang des
Zählers 7 verbunden und zählt wie dieser die Eingangsimpulse in der einen Richtung.
Gleichzeitig ist er auch mit dem Eingang des Zählers 8 verbunden. Die Eingangsimpulse
dieses Zählers zählt er nun mit umgekehrtem
Vorzeichen, so daß
das an ihm anstehende Zählergebnis eine der Beschleunigung proportionale Anzahl
von Impulsen anzeigt. Entsprechend sind auch weitere Zähler zwischen die Eingänge
der anderen nicht dargestellten Zähler zu schalten. An diese Zähler können nun in
an sich bekannter Weise Registrierinstrumente geschaltet werden, auf deren Darstellung
hier verzichtet sei.