DE1247678B - Kontinuierlich arbeitender Quotientenmesser - Google Patents

Kontinuierlich arbeitender Quotientenmesser

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DE1247678B
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pulse
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pulse series
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DE1962S0081077
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Inventor
Dr-Ing Werner Leonhard
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65HHANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H23/00Registering, tensioning, smoothing or guiding webs
    • B65H23/04Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally
    • B65H23/18Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally by controlling or regulating the web-advancing mechanism, e.g. mechanism acting on the running web
    • B65H23/195Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally by controlling or regulating the web-advancing mechanism, e.g. mechanism acting on the running web in winding mechanisms or in connection with winding operations
    • B65H23/198Registering, tensioning, smoothing or guiding webs longitudinally by controlling or regulating the web-advancing mechanism, e.g. mechanism acting on the running web in winding mechanisms or in connection with winding operations motor-controlled (Controlling electrical drive motors therefor)

Description

  • Kontinuierlich arbeitender Quotientenmesser In der Technik tritt oft das Problem auf, den Quotienten zweier technisch-physikalischer Größen zu bestimmen. Hierzu können diese Größen in ihnen analoge elektrischen Größen, wie z. B. Strom- oder Spannungswerte, abgebildet und damit dann Quotientenmeßwerke beaufschlagt werden.
  • Für gesteigerte Ansprüche hinsichtlich Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sind insbesondere auf dem Gebiet der Frequenzverhältnismessung Einrichtungen bekannt, welche die beiden Größen auf digitale Weise miteinander vergleichen, indem zwei Pulsreihen entsprechender Folgefrequenz zwei Zählern zugeführt werden. Nach einer bestimmten Zählzeit, deren Dauer von der gewünschten Meßgenauigkeit abhängt, verhalten sich die beiden Zählerstände wie die Frequenzen der sie beaufschlagenden Pulsreihen. Kennzeichnend für derartige Frequenzmesser ist, daß erst das Zählintervall abgewartet werden muß, ehe das Meßergebnis zur Verfügung steht. Soll das Meßergebnis nun weiter verarbeitet werden, z. B. in Regelkreisen, so erweist sich diese diskontinuierliche Erfassung des Frequenzverhältnisses als besonders ungünstig, da schnelle Frequenzänderungen, die unter Umständen einen sofortigen Regeleingriff erfordern, erst nach Ablauf des Zählintervalls angezeigt und damit berücksichtigt werden können.
  • Dadurch kann neben einer zufriedenstellenden Wirkungsweise auch die gesamte Stabilität der Regelung in Frage gestellt werden.
  • Die Erfindung betrifft daher eine Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Quotienten zweier durch Pulsreihen entsprechender Folgefrequenz darstellbarer technisch-physikalischer Größen unter Verwendung eines Regelers mit integraler Wirkung.
  • Sie macht dabei von der bekannten Tatsache Gebrauch, daß ein integral wirkender Regelkreis unabhängig von den Störeinflüssen seinen genau definierten stationären Zustand dann erreicht, wenn exakte Übereinstimmung herrscht zwischen Eingangssollwert und rückgeführten Regelgrößenistwert. Sind in letzterem multiplikativ die Ausgangsgröße des Integralgliedes und eine zweite Größe enthalten, so ist im stationären Zustand das Ausgangssignal des Reglers proportional dem Quotienten vom Eingangssollwert und der erwähnten zweiten Größe.
  • Das Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß einem digitalen Pulsvergleicher mit nachgeschaltetem bidirektionalem Differenzzähler die eine Pulsreihe direkt und die zweite Pulsreihe über einen von dem Differenzzähler steuerbaren Frequenzmultiplikator zugeführt ist, wobei das Verhältnis von dessen Ausgangs- zur Eingangsfrequenz vom Zählerstand des Differenzzählers bestimmt ist, an dem im stationären Zustand des Regelkreises das Frequenzverhältnis ablesbar ist.
  • Ist das Verhältnis von Eingangs- zur Ausgangsfrequenz kleiner als eins, handelt es sich also bei dem Frequenzmultiplikator um einen Frequenzteiler, so muß die Frequenz der zweiten Pulsreihe größer sein, als die der ersten, damit der zum Erreichen des stationären Zustandes erforderliche Regelabgleich möglich ist. Im anderen Fall muß die Frequenz der zweiten Pulsreihe kleiner sein, als die der ersten.
  • Dies stellt keine Einschränkung des Anwendungsbereiches der Erfindung dar, da es ohne weiteres möglich ist, eine der beiden zueinander ins Verhältnis zu setzenden Frequenzen in der Weise zu vervielfachen bzw. zu teilen, daß vorgenannte Bedingungen gegeben sind. Zur absoluten Frequenzrnessung kann eine der beiden Frequenzen einem mit konstanter Frequenz arbeitenden Quarzoszillator entnommen werden. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Quotientenmessers gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Das Wesen der Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt im einzelnen Fig. 1 die grundsätzliche Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines vorteilhaft verwendeten Pulsvergleichers, wie er in F i g. 1 angedeutet ist, und F i g. 3 ein Anwendungsbeispiel des Ertindungsgegenstandes bei einer Bandzugregelung.
  • In F i g. 1 sind mit f1 und f2 die beiden Pulsreihen bezeichnet, deren Frequenzverhältnis von der erfindungsgemaßen Einrichtung erfaßt werden soll. Davon ist die eine Pulsreihe f1 als Sollwert einer als Pulsvergleicher wirkenden Überiagerungsstufe 1 zugeführt, während die andere Pulsreihe f2 dem Eingang eines Frequenzteilers 2 zugeführt ist. Dieser kann gemäß einem an anderer Stelle gemachten Vorschlag vorteilhaft bestehen aus einem im Aiken-Code verschlüsselten Teilerzähler 3 und aus einem mehrere Auswahlgatter enthaltenden Teilergatter 4. Die Wirkungsweise des Frequenzteilers ist derart, daß jeweils von Zmax Impulsen der Pulsreihe f, so viel ausgewählt werden, wie es der Zahl z am Stelleingang des Teilergatters 4 entspricht. Zmax bedeutet dabei die Zählkapazität des Teilerzählers 3, die entsprechend der gewünschten Genauigkeit des Meßergebnisses gewählt werden kann.
  • Das Verhältnis der Ausgangsfrequenz des Frequenztetlers 2 zu seiner Eingangsfrequenz f2 beträgt < 1. Wird die Ausgangsfrequenz auf die Über-Zmax lagerungsstufe 1 mit dem angegebenen Vorzeichen zurückgeführt und dort mit der Frequenz fi verglichen, so arbeitet die erfindungsgemäße Anordnung wie ein einfacher Regler mit integraler Wirkung.
  • Regelabweichung á f verändert dabei den Ausgangswert z des Differenzzählers 5, der das Integralglied darstellt, so lange, bis df verschwindet, also fi f2 . z ist Dann ist der stationäre Zustand des zmax Regelkreises erreicht, und die Ausgangsgröße z ist nach der eben erwähnten Beziehung proportional dem Frequenzverhältnis Li Eine quasi stetige Befl, trachtungsweise zeigt, daß die Ausgangsgröße z des Differenzzählers 5 jeweils im exponentiellen Verlauf ihren stationären Wert erreicht mit einer Zeitkonstanten, die etwa dem Wert zfax entspricht.
  • Der Ausgang des Differenzzählers 5 kann zweckmäßig durch eine Überlaufsperre begrenzt werden, was keinen Einfluß auf das im stationären Zustand anfallende Meßergebnis hat, sondern eine Fehlanzeige bei Übersteuerung verhindern soll. Zur Auswertung ist ferner -eine Umformung der digitalen Ausgangsgröße des Differenzzählers 5 in eine ihr entsprechenden analogen Spanung Q durch den Digital-Analog-Wandler 7 vorgesehen.
  • Die Pulsvergleichseinrichtung 1 kann in ihrer einfachsten Form in einer Art exklusivem Odergatter bestehen, welches dann an seinem Ausgang ein Signal abgibt, wenn nur an einem seiner Eingänge ein entsprechendes Signal ansteht. Dadurch können paarweise einlaufende Impulse unterdrückt werden. Es erweist sich in diesem Zusammenhang die Verwendung eines in Fig. 2 dargestellten Differenzgatters auch als vorteilhaft, bei dem die dem Frequenzteiler 2 entnommenen, nicht äquidistanten Impulselzeitlich geordnet, d. h. mit Hilfe einer Taktfrequenz synchronisiert werden. Hierzu werden die einlaufenden Impulsreihen f, und f2 . z zunächst in je einem Eingangszmax speicher 8 bzw. 9 übernommen und von diesen in zugeordnete Synchronisierungsspeicher 10 bzw. 11 übertragen, wo gleichzeitig auch die Taktfrequenz fT ansteht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel, wo die Frequenz der zweiten Pulsreihe 12 größer ist als fl kann diese als Taktfrequenz fT verwendet werden.
  • Während der Dauer der Taktimpulse wird der Inhalt der Speicher 10 und 11 in eine Vergleichsschaltung 12 übertragen. Immer dann, wenn die Speicher während dieser Zeit unterschiedliche Signale führen, wird je nach ihrer Relation von der Vergleichsschaltung 12 ein positiver oder negativer Impuls als Abweichung A f abgegeben. Nach Beendigung dieses Vergleiches werden die Eingangsspeicher 8 bzw. 9 über die Leitungen 13 bzw. 14 gelöscht.
  • F i g. 3 zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung bei einem Elektrowickler der den Zug des Wickelgutes unabhängig von Drehzahl und Durchmesser der Wickeltrommel konstant halten soll. Mit 15 ist der Wickelmotor bezeichnet, der ein Teil eines den Generator 16 und den Drehstrommotor 17 enthaltenden Leonard-Antriebes ist. Mit 18 und 19 sind die Feldwicklungen der Maschinen 15 und 16 bezeichnet, in deren Ankerstromkreis ein Widerstand 20 angeordnet ist, an dem eine dem Ankerstrom 1a proportionale Größe abgenommen wird, die als Istwert einem Ankerstromregler 21 zugeführt ist, dessen Sollwert durch die Größe 1a gegeben ist. In ähnlicher Weise enthält der Erregeilcreis für den Motor 15 den Widerstand 22, an dem eine dem Erregerstrom 1e proportionale Größe abgenommen wird. An sich könnte diese schon als Feld-Istwert für den Feldregler 23 verwendet werden. Damit aber dem Feldregler 23, insbesondere auch während der Feldänderungsvorgänge, ein richtiges Maß für das tatsächlich wirksame Feld geliefert wird, bildet das Übertragungsglied 24 aus dem Erregerstrom den exakten Feldverlauf nach.
  • Das Glied 24 besteht im wesentlichen aus einem Zeitkonstantenglied, welches die Wirbelstromzeitkonstante des Erregerkreises berücksichtigt. Darüber hinaus kann im Übertragungsglied noch ein beispielsweise aus Zenerdioden und Widerständen aufgebautes nichtlineares Netzwerk vorgesehen werden, das die mit steigendem Erregerstrom einsetzende magnetische Sättigung kompensiert.
  • Die Zugkraft des Wickelmotors 15 ist dann, unabhängig von der Wickelgutgeschwindigkeit, konstant, wenn die Erregung proportional dem jeweils vorhandenen Wickeldurchmesser d2 der Wickeltrommel 25 ist, entsprechend der Beziehung P = kl i 2 wobei P die Zugkraft, kj eine Konstante, 1a den konstant geregelten Ankerstrom und 0 den Erregerfluß des Wickelmotors 15 bedeuten. Es muß also dem, vorzugsweise als PI-Regler ausgeführten Regelverstärker 23 eine dem jeweiligen Wickeldurchmesser d2 proportionale Größe als Sollwert zugeführt werden.
  • Hierzu werden zwei Pulsreihen mit den Frequenzen Ii und 12 der erfindungsgemäßen Quotienteneinrichtung zugeführt, wie sie rechts der Trennlinie I-II in F i g. 3 unter Beibehaltung der entsprechenden Bezugszeichen von Fig. 1 dargestellt ist. Dabei ist die Frequenz 12 der Wicklerdrehzahl und die Frequenz ft der Wickelgutgeschwindigkeit proportional, indem eine Impulsscheibe 26 mit der Welle des Wickelmotors 15 und eine andere Impulsscheibe 27 mit einer vom Wickelgut angetriebenen Meßrolle 28 gekuppelt ist. Am Umfang der Impulsscheiben 26 und 27 sind in axialer Richtung Dauermagnete 29 eingebettet, die beim Vorbeilauf an den Hallsonden 30 entsprechende Frequenzen erzeugen, die den Impulsformerstufen 31 und 32 zugeführt sind. Aus der Beziehung V d1 n1 n,=X-dw2-n2 d2. n2 folgtd2-k2 = wobeik2 eine Proportionalitätskonstante ist. Wie im Zusammenhang mit F i g. 1 angegeben wurde, entsteht am Aushang des Digital-Analog-Wandlers 7 ein Signal, welches proportional dem Frequenzverhältnis der beiden Frequenzen fl und 12 ist. Wird also das Ausgangssignal des Analogwandlers 7 als Sollwert des Feldreglers 23 benützt, so ist die Zugkraft des Wickelmotors 15 konstant, unabhängig von Wickeldurchmesser und Wickelgutgeschwindigkeit.
  • Ein besonderer Vorteil dieser berührungslosen Durchmessererfassung und Verarbeitung ist, daß der durch die Messung erhaltene Informationswert für den Wickeldurchmesser bei vorübergehender Abschaltung oder anderweitiger Unterbrechung des Wikkelvorganges beliebig lang gespeichert erhalten bleibt.
  • Nach einer Betriebsunterbrechung, wobei insbesondere bei Bandriß die Frequenzen ft und 12 zweckmäßig abzuschalten sind, kann daher mit dem ursprünglichen Zug weitergearbeitet werden, so daß eine Kontinuität des Betriebes gewährleistet und unzulässige Dehnung bzw. Durchhängen insbesondere beim Anfahren vermieden werden.
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten eröffnen sich für den erfindungsgemäßen Quotientenmesser in der Regeltechnik überall dort, wo das Verhältnis zweier Größen konstant gehalten werden soll, so z. B. bei der Drehzahlverhältnisregelung hintereinander angeordneter Mehrmotorenantriebe, wie sie bei der Papierherstellung verwendet werden.

Claims (9)

  1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zur kontinuierlichen Messung des Quotienten zweier durch Pulsreihen entsprechender Folgefrequenz darstellbarer technischphysikalischer Größen unter Verwendung eines Reglers mit integraler Wirkung, d a durch gek e n n z e i c h n e t, daß einem digitalen Pulsvergleicher (1) mit nachgeschaltetem bidirektionalem Differenzzähler (5) die eine Pulsreihe direkt und die zweite Pulsreihe über einen von dem Differenzzähler (5) steuerbaren Frequenzmultiplikator (2) zugeführt ist, wobei das Verhältnis von dessen Ausgangs- zur Eingangsfrequenz vom Zählerstand des Differenzzählers bestimmt ist, an dem stationären Zustand des Regelkreises das Frequenzverhältnis ablesbar ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur stetigen Auswertung des Differenzzählerstandes in an sich bekannter Weise am Ausgang des Differenzzählers ein Digital-Analog-Wandler angeschlossen ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Dif ferenzzählers begrenzt ist.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulsvergleicher ein Differenzgatter verwendet ist, das zwei den beiden Pulsreihen zugeordnete Eingabespeicher, zwei diesen nachgeordneten und mit Hilfe einer Taktfrequenz abrufbare Synchronisierspeicher sowie eine Vergleichsschaltung enthält.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Frequenzteiler, der aus einer vorzugsweise in Aiken-Code dekadisch verschlüsselten Teil erzähler und einem mehrere Auswahlgatter enthaltenden Teilergatter besteht zur Auswahl einer einstellbaren Anzahl von Impulsen der Eingangsimpulsfolge des Teilerzählers.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der zweiten Pulsreihe als Taktfrequenz dient.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzmessung eine der beiden Pulsreihen einem mit konstanter Bezugsfrequenz arbeitenden Quarzoszillator entnommen ist.
  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6 zur Durchmessererfassung bei Achswicklerantrieben, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der ersten Pulsreihe der Drehzahl einer mit der Wikkelgutgeschwindigkeit angetriebenen Leitrolle und die Frequnz der zweiten Pulsreihe der Drehzahl der Wickeltrommel proportional ist.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsgröße des Digital-Analog-Wandlers als eine dem Wickeldurchmesser proportionale Größe dem Feldregler eines mit konstantem Ankerstrom betriebenen Wickelmotors als Sollwert zugeführt ist.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 215 547; Elektrotechnische Zeitschrift / A, 1961, S. 574 bis 579.
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