DE1228082B - Anordnung zur digitalen Messung der Winkel-geschwindigkeit bzw. Drehzahl einer Welle - Google Patents

Description

• Anordnung zur digitalen Messung der Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl einer Welle Für jede Regelung muß der Istwert der Regelgröße ermittelt werden. Ist die Regelgröße die Geschwindigkeit eines Körpers oder der Geschwindigkeit eines Körpers proportional, so wird bei digitalen Regelungen diese Bewegung in eine Rotation übergeführt und auf die Rotationswelle eine Strichscheibe gesetzt, die in irgendeiner Weise (elektrisch, fotoelektrisch, mechanisch, magnetisch) abgetastet wird, wobei durch jeden an dem Abtaster vorbeilaufenden Strich ein Impuls erzeugt wird. Die Frequenz dieser Impulsfolge ist dann ein Maß für die Regelgröße.
• Soll beispielsweise die durch ein Rohr strömende Flüssigkeitsmenge geregelt werden, so ist durch ein geeignetes Umformsystem (Meßglied) die Strömungsgeschwindigkeit in eine Rotation umzuformen. Die Strömungsgeschwindigkeit wird dann durch die Winkelgeschwindigkeit einer rotierenden Welle abgebildet.
• Es gibt nun Umformsysteme, deren Ausgangswelle, bedingt durch die Arbeitsweise oder Montage des Umformsystems, trotz konstanter Regelgröße periodische Winkelgeschwindigkeitsschwankungen ausführt. Die Frequenz dieser Winkelgeschwindigkeitsschwankungen beträgt ein ganzes Vielfaches der Drehzahlfrequenz. Es können auch mehrere Schwankungen gleichzeitig auftreten (Überlagerung). Ein Beispiel eines solchen Umformsystems zeigt Fig. 1.
• Es soll die Menge eines durch ein Rohr 1 strömenden Mediums gemessen werden. In dem Rohr ist ein sogenannter Ovalradzähler eingebaut, der aus den beiden Ovalrädern 2 und 3 besteht. Die beiden Ovalräder besitzen Zähne und laufen im Eingriff miteinander. Durch die Druckdifferenz zwischen den Räumen vor und hinter den Ovalrädern werden diese in Drehung versetzt. Die Zahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit ist ein Maß für die das Rohr durchfließende Menge pro Zeiteinheit. Trotz unveränderter Strömungsgeschwindigkeit im Rohr ist die Winkelgeschwindigkeit der Ovalräder nicht konstant. Es ist im wesentlichen eine Winkelgeschwindigkeitsschwankung von doppelter Drehzahlfrequenz vorhanden (daneben kann auch eine solche von vierfacher Drehzahlfrequenz auftreten). Auf die Ausgangswelle 4 des Umformsystems ist eine Strichscheibe 5 montiert, die durch einen Abtaster 6 abgetastet wird. ähnliche periodische Schwankungen wie in den genannten Beispielen können schon durch bloße Montageexzentrizitäten auftreten.
• Solange lediglich die Zahl der Umdrehungen gezählt wird, machen sich die Winkelgeschwindigkeitsschwankungen der Ausgangswelle nicht störend bemerkbar. Soll jedoch die Regelgröße mit sehr geringer Verzögerung geregelt werden, dann werden die Impulse der Strichscheibe für verhältnismäßig kleine Zeitintervalle gezählt und ausgewertet. Nur in Sonderfällen werden diese Zeitintervalle mit der Zeit für eine oder mehrere Umdrehungen übereinstimmen.
• Es wird daher in der Regel trotz konstanter Regelgröße eine Schwankung der Regelgröße vorgetäuscht.
• So ist bereits ein Verfahren zur Verringerung des Einflusses von Teilungsfehlern bei der Erzeugung periodischer Impulsreihen auf lichtelektrischem Wege mit Hilfe einer umlaufenden Loch- oder Schlitzscheibe bekannt, bei dem jeder einzelne Impuls der Impulsreihe durch Summenwirkung aus zwei oder mehreren an verschiedenen Stellen der umlaufenden Lochscheibe praktisch gleichzeitig erzeugten Impulsen gebildet wird.
• Weiterhin ist es bekannt, bei der Messung des Gleichlaufs von umlaufenden Wellen n Marken am Umfang der Welle an n einigermaßen gleichförmig verteilten Stellen abzutasten. Durch diese Maßnahme hebt sich die Wirkung von Teilungsfehlern an der abzutastenden Welle, die Frequenzschwankungen der entstehenden Impulsfolge hervorruft, auf.
• Zur Beseitigung montage- und herstellungsbedingter Meßfehler bei der Abtastung rotierender zur digitalen Drehzahlmessung dienenden Strichscheiben wurde vorgeschlagen, die Strichscheibe mit einem Hauptstrichring und einem konzentrisch liegenden weiteren Strichring zu versehen, 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. Die Zählergebnisse werden in analoge Werte umgeformt, die getrennt einstellbar sind und zu dem durch den Hauptstrichring ermittelten Meßwert bzw. dem Proportionalwert der Regelabweichung in einer den Meßfehler beseitigenden Weise teilweise addiert und teilweise subtrahiert werden.
• Eine vorgeschlagene weitere Ausbildung der vorgenannten Maßnahmen besteht darin, daß die Impulsfolgen der vier Abtaster in bei lichtelektrischen Drehzahlmessern an sich bekannter Weise auf einstellbare Untersetzer oder Prequenzmultipllkatoren geschaltet sind und die Ausgangsimpulse dieser Untersetzer oder Frequenzmultiplikatoren entsprechend dem ihnen zugeordneten Vorzeichen aus der Hauptimpulsfolge Impulse ausblenden oder in die Hauptimpulsfolge Impulse einblenden.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur digitalen Messung der Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl einer Welle, die durch ein Umformsystem in Drehung versetzt wird, deren Winkelgeschwindigkeit durch Abtastung einer auf die Ausgangswelle des Umformsystems montierten Strichscheibe, auf der die Striche mit periodisch schwankendem Abstand verteilt sind, als Frequenzfolge gebildet wird und bei der das Umformsystem eine (oder mehrere) periodische Winkelgeschwindigkeitsschwankung der Ausgangswelle erzeugt, deren Frequenz ein ganzes Vielfaches der Drehzahlfrequenz ist, anzugeben, die die Auswirkungen der durch das Umformsystem- bedingten Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit der Ausgangswelle auf die abgetastete Impulsfolge beseitigt oder herabsetzt.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß die Größe der Abstandsschwankungen und die Zahl der über den Umfang verteilten Perioden der Abstands schwankungen dem Umformsystem angepaßt sind und die Strichscheibe in einer solchen Winkelstellung montiert ist, daß der schwankende Strichabstand der durch das Umformsystem bedingten Schwankung der Ausgangsimpulsfolge entgegenwirkt.
• Fig. 2 zeigt die Verteilung der Striche, wie sie für die Kompensation einer Winkelgeschwindigkeitsschwankung von zweifacher Drehzahlfrequenz erforderlich ist. Der veränderliche Strichabstand hat zwei Maxima und zwei Minima. Die Strichscheibe muß in einer ganz bestimmten Winkellage auf die Ausgangswelle des Umformsystems montiert werden. Bei der Abtastung überlagern sich zwei Einflüsse, die zu periodischen Schwankungen der Ausgangsimpulsfolge führen. Die eine ist bedingt durch die Winkelgeschwindigkeitsschwankung, die andere durch die Strichabstandsschwankung. In einer bestimmten Winkellage der Strichscheibe zur Welle subtrahieren sich die beiden Einflüsse.
• In Fällen, in denen sich die relative Winkelgeschwindigkeitsschwankung der Ausgangswelle des Umformsystems mit der mittleren Winkelgeschwindigkeit verändert, ist eine vollständige Kompensation nur für eine bestimmte Drehzahl erreichbar. In diesem Fall ist die Stärke der Abstandsschwankung der Striche auf der Strichscheibe der voraussichtlich am häufigsten auftretenden Drehzahl anzupassen. Es wird dann zumindest eine weitgehende Herabsetzung des Fehlers erzielt.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Anordnung zur digitalen Messung der Winkelgeschwindigkeit bzw. Drehzahl einer Welle, die durch ein Umformsystem in Drehung versetzt wird, deren Winkelgeschwindigkeit durch Abtastung einer auf die Ausgangswelle des Umformsystems montierten Strichscheibe, auf der die Striche mit periodisch schwankendem Abstand verteilt sind, als Frequenzfolge abgebildet wird und bei der das Umformsystem eine (oder mehrere) periodische Winkelgeschwindigkeitsschwankung der Ausgangswelle erzeugt, deren Frequenz ein ganzes Vielfaches der Drehzahlfrequenz ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Abstandsschwankungen und die Zahl der über den Umfang verteilten Perioden der Abstandsschwankungen dem Umformsystem angepaßt sind und die Strichscheibe in einer solchen Winkelstellung montiert ist, daß der schwankende Strichabstand der durch das Umformsystem bedingten Schwankung der Ausgangsimpulsfolge entgegenwirkt.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 709 029, 924 482; Zeitschrift »Frequenz«, H. 1/1963, S. 12 bis 14; »Transactions of the IRE«, Ausgabe J, 6/1956, 5. 161 bis 167.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 1 185 406, 1 191 986.