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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.
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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.
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Dadurch kann neben einer zufriedenstellenden Wirkungsweise auch die
gesamte Stabilität der Regelung in Frage gestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.