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Verfahren zur Beseitigung montage- und herstellungsbedingter Meßfehler
bei der Abtastung rotierender zur digitalen Drehzahlmessung dienenden Strichscheiben
Zur digitalen Drehzablmessung wird auf die Welle, deren Drehzahl zu messen ist,
eine Scheibe gesetzt, die auf einem konzentrischen Ring eine möglichst große Anzahl
gleichmäßig verteilter Striche aufweist, die vorzugsweise in fotoelektrischer Weise
abgetastet und ausgezählt werden. Es werden die innerhalb einer bestimmten Zeit
(Meßperiode) an dem Abtaster vorbeilaufenden Striche von einem Zählglied gezählt.
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Das Zählergebuis ist dann ein Wert für die Drehzahl der rotierenden
Welle. Da bei Regelungen mit Rücksicht auf die Stabilität der Regel anordnung die
Meßperiode möglichst klein sein soll, ist die Genauigkeit um so größer, je größer
die Strichzahl auf der Scheibe ist. Ungenaue Verteilungen der Striche untereinander
können zu Meßfehlern führen. Die Gefahr solcher Meßfehler ist jedoch bei der Präzision,
mit der solche Scheiben hergestellt werden können, sehr klein gegenüber solchen
Meßfehlern, die die Folge einer mangelhaften Montage der Scheibe sind. Diese Montage
fehler bestehen in erster Linie darin, daß es nicht geliegt, die Strichscheibe völlig
konzentrisch auf die Welle aufzusetzen. Die dadurch bedingten Meßfehler sollen an
Hand der F i g. 1 und 2 a erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt eine Strichscheibe 5, von der zunächst nur der äußere
Strichring 5 a betrachtelt wird. 7 stellt die Abtastvorrichtung dar. 6 ist die Welle,
auf die die Strichscheibe aufgezogen wird. Nimmt man an, daß bei der Montage eine
Exzentrizität e entsteht, d. h. der Mittelpunkt der Welle im Funkt der Scheibe zu
liegen kommt, dann ergeben sich bei der Abtastung folgende Verhältnisse: Es wird
vorausgesetzt, daß die Meßperiodendauer gerade so groß ist wie die Zeit für eine
halbe Umdrehung der Welle und daß die Meßperiode im Zeitpunkt t=O beginnt, in welchem
die Scheibe die in der Fig. 1 dargestellte Lage hat. Innerhalb der gleichen Zeit
läuft dann am Abtaster 7 einmal der zum Winkel as gehörende Umfang vorbei und einmal
der zum Winkel ß gehörende Umfang. Da os kleiner als ß ist, ist die Zahl der in
der ersten Meßperiode gezählten Impulse kleiner als die in der zweiten Meßperiode
ermittelte Impulszahl. In F i g. 2 a sind die von dem Abtaster 7 und dem zugehörigen
Zähler gezählten Impulse dargestellt. Bei dieser Darstellung ist zu berücksichtigen,
daß nach Abschluß einer Zähiperiode das Zählergebnis auf einen Speicher übertragen
wird und der Wert während der folgenden Zählperiode stehenbleibt. F i g. 2 a stellt
also das im nachgeschalteten Speicher stehende Zählergebnis dar. Die in der Zeit
Ta gezählte Impuls zahl ist kleiner als die in der Zeit Tß gezählte Impulszahl.
Die Folge dieses Montagefehlers ist die Vorspiegelung einer in Wirklichkeit nicht
vorhandenen
Drehzahlschwankung. Wäre der Montagefehler nicht vorhanden, dann würde
die Kurve S7 (F i g. 2 a) den gestrichelt dargestellten Verlauf haben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zu entwickeln, durch das der oben erläuterte Meßfehler kompensiert wird. Zur Lösung
dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, daß dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Strichscheibe mit einem Hauptstrichring und einem konzentrisch
liegenden weiteren Strichring versehen ist, dessen Striche, deren Anzahl bedeutend
kleiner als die des Hauptstrichringes ist, auf dem halben Umfang in sinusförmiger
Verteilung aufgetragen sind und der von vier gleichmäßig am Umfang verteilten Abtastern
abgetastet wird, die auf getrennte Zähler arbeiten, und daß die Zählergel> nisse
in analoge Werte umgeformt werden, die getrennt einstellbar sind und zu dem durch
den Hauptstrichring ermittelten Meßwert bzw. dem Propartie nalwert der Regelabweichung
in einer den Meßfehler beseitigenden Weise teilweise addiert und teilweise subtrahiert
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den F i g. 1 und 3 dargestellt.
Die Strichscheibe 5 in Fig. 1 besitzt neben dem Hauptstrichring 5 a einen weiteren
konzentrisch liegenden Strichring 5 b. Die Striche dieses Ringes sind auf dem halben
Umfang zusammengedrängt und hier in sinusförmiger Verteilung aufgebracht. Die Abstände
der Striche auf dem oberen Halbkreis des Korrekturringes ändern sich also nach einer
Sinusfunktion, wobei ein Winkel von O bis 1800 durchlaufen wird. Der Korrekturring
wird von vier gleichmäßig am Umfang verteilten Abtastern 1 bis 4 abgetastet. Die
von den vier Abtastern erzeugten Impulsfolgen Ii bis 14 werden getrennten Zählern
10 bis 13 (F i g. 3) zugeführt. Diesen Zählern
sind Speicher 14
bis 17 nachgeschaltet, in denen die Zählergebnisse der vorangegangenen Meßperiode
go speichert werden. Diese Werte werden über Digital-Analog-Wandler 18 bis 21 in
analoge Werte umgeformt. Jeder dieser analogen Werte läßt sich unab hängig in seiner
Größe einstellen (22 bis 25). Die Analogwerte werden auf die Eingänge des Verstärkers
26 gegeben. Auf diesen Verstärker wird ebenfalls über die Leitung 27 ein Analogwert
gegeben, der entweder das Zählergebnis des Abtasters 7 des Hauptstrichringes darstellt
oder bereits der Proportionalwert der Regelabweichung ist. Die Werte auf den fünf
Eingängen des Verstärkers 26 werden derart zusammengefaßt, daß die zu den Impulsfolgen
11 und 13 gehörenden zu dem Hauptwert addiert und die zu den Impulsfolgen 12 und
14 gehörenden von dem Hauptwert subtrahiert werden.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Anordnung soll an Hand der F
i g. 1, 2 und 3 erläutert werden.
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Es wird der Einfachheit halber der Fall angenommen, wie er sich aus
der Fig. 1 bezüglich der Lage der Exzentrizität, der Abtaster und der beiden Ringe
zueinander ergibt. Im übrigen wird wieder angenommen, daß die Meßzeit gleich der
Zeit für eine halbe Umdrehung ist und die Messung im angegebenen Zeitpunktt=O beginnt.
Das vom Abtaster 7 ermittelte Zählergebnis ist in F i g. 2 a abgebildet und wurde
bereits erläutert. Bei der angegebenen Drehrichtung erfaßt der Abtaster 1 in jeder
Meßperiode die Hälfte der auf dem Korrekturring liegenden Striche. Das gleiche gilt
für den Abtaster 2 (Fig. 2c).
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Der Abtaster 3 erfaßt in der ersten Meßperiode sämtliche Striche des
Korrekturringes und in der zweiten Meßperiode gar keine. Das umgekehrte gilt für
den Abtaster4 (Fig. 2e). In den Fig. 2b bis 2e sind die Zählergebnisse der Abtaster
1 bis 4 bereits mit den Vorzeichen dargestellt, mit denen sie gemäß F i g. 3 zu
dem Hauptzählergebnis algebraisch addiert werden. Man erkennt, daß sich die Anteile
so und S2 gegenseitig aufheben und die AnteileS3 und S4 den Fehler von S7 gerade
kompensieren. Da die Fehler von S, in den tatsächlichen Anordnungen nur wenige Prozente
betragen, brauchen auch die Korrekturzählergebnisse nur wenige Prozent des Hauptzählergebnisses
zu betragen. Das bedeutet, daß die Anzahl der Striche auf dem Korrekturring bedeutend
kleiner ist als auf dem Hauptstrichring. Aus diesem Grnnde sind die Fehler, die
durch die Exzentrizität auch bei den Korrekturzählergebnissen auftreten, bereits
von zweiter Ordnung klein und können vernachlässigt werden.
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Bei dem eben beschriebenen Spezialfall bezüglich der gegenseitigen
Lage der einzelnen Größen und der Meßperiodendauer sind die Verhältnisse einfach
zu übersehen. Bei jeder anderen Lage der Exzentrizität, der gegenseitigen Lage der
Ringe und der Korrekturabtaster setzen sich die vier Korrekturanteile so zusammen,
daß eine Kompensation möglich ist. Man kann diese Korrekturanteile als die positiven
und negativen Sinus- und Kosinuswerte auffassen, durch die bei geeigneter Bemessung
eine Schwingung oder Welle bezüglich ihrer Größe und Phasenlage beliebig eingestellt
werden kann.
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Die Größe des in F i g. 2 a gezeigten Fehlers hängt nun von der Größe
der Exzentrizität ab. Ist die Ex-
zentrizität beispielsweise größer als in dem Beispiel
gezeigt, dann müßten auch die Zählergebnisse S3 und S4 entsprechend größer sein
Diese Zählergebnisse sind aber von der Exzentrizität unabhängig. (Der von zweiter
Ordnung kleine Einfluß ist unerheblich.) Aus diesem Grunde können die ins Analoge
umgeformten Zählergebnisse in ihrer Größe getrennt eingestellt werden (veränderlicher
Verstärkung oder Widerstandsteilung). Die erforderliche Einstellung kann auf einfache
Weise durch einen Auslaufversuch nach erfolgter Montage stattfinden. Beim Auslaufversuch
treten keine unkontrollierbaren Schwankungen auf.
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Die bei der Montage auftretenden Exzentrizitäten sind die häufigsten
und schwerwiegendsten Ursachen von Meßfehlern. Es sind dies Fehler erster Ordnung;
das bedeutet, daß ihre Frequenz mit der Drehzahlfrequenz übereinstimmt. Durch die
geschilderte Anordnung werden selbstverständlich auch Fehler beseitigt, die durch
Schwankungen der Abstandsbreite der aufgebrachten Striche entstehen, sofern diese
Schwankungen ebenfalls Drehzahlfrequ enz haben.
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Jedoch sind solche Fertigungsfehler unbedeutend.
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Haben die fehlerbedingten Schwankungen die n-fache Frequenz der Drehzahl,
dann können diese ebenfalls beseitigt werden. Hierzu muß die Verteilung auf dem
Korrekturring einschließlich der vier Abtaster auf den n-ten Teil des Umfanges zusammengedrängt
werden und sich n-mal wiederholen. F i g. 4 zeigt die Anordnung für den Fall n =
2. Eine entsprechende Vervielfachung ist auch erforderlich bezüglich der Auswertungsschaltung
nach F i g. 3.