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Schaltungsanordnung zur Bestimmung der indizierten Arbeit einer Maschine
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der indizierten Arbeit
einer Maschine, insbesondere Kolbenkraftmaschine, durch Integration der von der
Druck-Weg-Kurve eingeschlossenen Fläche, mittels eines, eine druckproportionale
Spannung liefernden Druckwandlers, eines von der Maschine betätigten, in kolbenwegproportionaler
Aufeinanderfolge Sägezahnimpulse auslösenden induktiven Wegimpulsgebers sowie eines
von den Sägezahnimpulsen und der druckproportionalen Spannung beaufschlagten Spannungskomparators
mit über ein Gatter nachgeschalteter, digitaler Zählern richtung.
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Es ist bereits ein elektronischer Indikator mit unmittelbarer Zahl
enwert anzeige für Kolbenmaschinen bekannt, welcher auf der genannten Schaltungsanordnung
beruht. Bei diesem bekannten Gerät wird der Flächeninhalt aus dem Indikatordiagramm
der Kolbenmaschine mittels einer Meßbrücke erfaßt, und zwar dadurch, daß der Ausgang
dieser Meßbrücke umgeschaltet wird, was die Einführung einer bzw. zweier Gegenspannungen
voraussetzt. Diese Anordnung bedingt einen verhältnismäßig großen Aufwand an Schaltelementen
und hat auch den Nachteil, daß keine Nullpunktstábilität der Anordnung erreicht
wird bzw. eine solche nur mit großem Aufwand realisiert werden kann. Mit Hilfe dieses
Gerätes wird außerdem nicht unmittelbar ein Zahlenwert der indizierten Arbeit, sondern
eine Angabe des mittleren indizierten Druckes erhalten. Dieser Umstand bedingt zusätzliche
Arbeit bei der Auswertung des Meßergebnisses.
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Es ist auch noch eine weitere elektronische Einrichtung zur Messung
des mittleren indizierten Druckes bekannt, welche zwar den Nachteil der Einführung
zweier Gegenspannungen nach dem erstgenannten bekannten Vorschlag vermeidet, bei
der jedoch die Umwandlung bzw. Bestimmung des Flächeninhaltes dadurch erfolgt, daß
zuerst der Druckhöhe proportionale Impulse erzeugt werden, welche sodann über einen
Analog-Digitalwandler in Zeitimpulse umgewandelt werden. Dieser Weg ist verhältnismäßig
umständlich und erfordert gleichfalls einen verhältnismäßig großen Aufwand an Schaltelementen.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile der bekannten Einrichtungen
durch eine Schaltungsanordnung, welche die unmittelbare Bestimmung der indizierten
Arbeit bei einem oder mehreren Arbeitsspielen auf elektronischem Wege ermöglicht.
Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, daß der Wegimpulsgeber über eine Amplitudenbegrenzerstufe,
eine Impulsformerstufe, eine monostabile Stufe und einen Integrator an den zweiten
Eingang des Spannungskomparators angeschlossen und ein die Zähleinrichtung steuernder
Schaltkreis vorgesehen ist, der aus einem in an sich bekannter Weise die Totpunktlagen
der Maschine markierenden zweiten Impulsgeber mit nachfolgender Begrenzerstufe und
dieser nachgeschalteten Impulsformerstufe besteht, die ein Schieberegister sowie
eine Untersetzerstufe steuert, wobei die erste und dritte Stufe des zumindest fünfstufigen
Schieberegisters einerseits über ein ersteres UND-Gatter mit dem linken Eingang
einer das Tor des Gatters steuernden bistabilen Kippstufe und andererseits über
ein zweites UND-Gatter mit dem Eingang für Vorwärtszählung an der Zähleinrichtung
verbunden sind, die zweite und vierte Stufe des Schieberegisters über ein drittes
UND-Gatter an den Eingang für Rückwärtszählung an der Zähleinrichtung angeschlossen
sind, und die letzte Stufe des Schieberegisters den rechten Eingang der bistabilen
Kippstufe ansteuert, und daß der Untersetzerstufe ein Wahlschalter folgt, dessen
linker Ausgang an das erste und zweite UND-Gatter, und dessen rechter Ausgang an
das dritte UND-Gatter angeschlossen ist. Ein Gerät dieser Art unterscheidet sich
von den vorbekannten Ausführungen somit in der Hauptsache in der Art der Steuerung
der Zählgeräte bzw. des Zählgerätes, sofern ein Gerät mit Vor- und Rückwärtszählung
zum Einsatz kommt.
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Durch die Verwendung eines Schieberegisters bietet
sich
die Möglichkeit einer Messung, welche sich nicht nur über ein Arbeitsspiel erstreckt,
sondern über eine der gewählten Stufenanzahl des Schieberegisters entsprechende
Anzahl von Arbeitsspielen. Man erhält daher einen exakten Mittelwert für die indizierte
Arbeit über mehrere Arbeitstakte der zu untersuchenden Maschine, welcher Mittelwert
den wahren Verhältnissen sehr nahekommt und auch eine statistische Auswertung zuläßt.
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Gegenüber den bekannten Methoden zur Bestimmung des Flächeninhaltes
wird nach der Erfindung ein weitaus einfacherer Weg beschritten, welcher unter Umgehung
der Erfassung der Druckhöhe eine direkte Umwandlung der Spannungs- bzw. Druckhöhe
in eine entsprechende Anzahl von Impulsen vorsieht. Diese Methode besitzt den großen
Vorteil, daß Nullpunktschwankungen nicht in das Resultat eingehen und ein wesentlich
geringerer Aufwand an Schaltelementen nötig ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung
besteht die Zähleinrichtung aus zwei Zählern, von denen der eine am zweiten UND-Gatter
und der andere am dritten UND-Gatter angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Gatters
mit dem Eingang sowohl des zweiten als auch des dritten UND-Gatters verbunden ist.
Diese vereinfachte Anordnung ist zweckmäßigerweise dann anzuwenden, wenn ein vor-
und rückwärts zählender Zähler nicht vorhanden ist. Von den statt dessen vorgesehenen
beiden Zählern summiert der eine alle positiven, der andere alle negativen Flächenabschnitte.
Die Ergebnisse der beiden Zähler müssen anschließend nur mehr voneinander subtrahiert
werden, um den endgültigen Meßwert zu erhalten.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind bei mehr als fünfstufiger
Ausbildung des Schieberegisters mit den Ausgängen der ersten und dritten Stufe auch
die Ausgänge der weiteren, ungeradzahligen Stufen mit Ausnahme der letzten, und
mit den Ausgängen der zweiten und vierten Stufe auch die Ausgänge der weiteren geradzahligen
Stufen verbunden. Der Meßvorgang kann damit über mehrere Umläufe erstreckt werden,
wobei zusätzlich die Anzahl der Umläuft gezählt und anschließend das Ergebnis durch
die Anzahl der Umläufe dividiert werden muß. Man erhält auf diese Weise den Mittelwert
über mehrere Umläufe der Maschine.
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Bei allen Schaltungsausführungen empfiehlt es sich, die Nullinie
der Druckkurve so weit in das negative Gebiet zu legen, daß für den Druckaufnehmer
nur positive Druckwerte vorhanden sind. Dies ist deshalb zulässig, da durch die
wiederholte Addition bzw. Subtraktion der Meßwerte kein Fehler auftritt. Es ist
nur zu fordern, daß der Nullpegel während der Meßzeit konstant bleibt.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
in schematischer Darstellung, F i g. 2 ein Druckwegdiagramm einer Kolbenkraftmaschine
und F i g. 3 einen von der Schaltungsanordnung der Fig. 1 abweichenden Schaltungsteil
eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Der Druck wird in bekannter Weise piezoelektrisch über einen Quarzdruckaufnehmer
1 aufgenommen, dem ein Ladungsverstärker 2 nachgeschaltet ist, der
eine dem Druck
proportionale Spannung dem einen Eingang eines Spannungskomparators 3 zuführt.
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Dort erfolgt in bekannter Weise ein Vergleich mit einer Sägezahnspannung
4. Der zur Erzeugung dieser Sägezahnspannung 4 dienende Schaltungsteil umfaßt einen
in an sich bekannter Weise durch vorbeibewegte ferromagnetische Plättchen 6 erregten
elektromagnetischen Impulsgeber 7, wobei die Plättchen 6 am Umfang einer an der
Welle der zu untersuchenden Maschine angebrachten Scheibe 5 aus antimagnetischem
Material in kolbenwegproportionalen Abständen angeordnet sind, weiter eine Amplitudenbegrenzerstufe
9 für die vom Impulsgeber 7 gelieferten Impulse 8, der eine Impulsformerstufe 10
nachgeschaltet ist, die ihrerseits eine monostabile Stufe 11 ansteuert.
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Letztere gibt an ihrem Ausgang Rechteckimpulse 12 von konstanter Impulsbreite
z ab, die im folgenden Integrator 13 integriert werden. Damit erscheinen am zweiten
Eingang des Spannungskomparators 3 Sägezahnimpulse 4 mit konstanter Anstiegszeit
und mit kolbenwegproportionalem Einsatzpunkt, d. h. also, daß Sägezahnimpulse 4
jeweils nur dann erscheinen, wenn eines der ferromagnetischen Plättchen 6 am Impulsgeber
7 vorbeibewegt wird.
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Am Ausgang des Spannungskomparators 3 werden somit in Abhängigkeit
vom Weg Rechteckimpulse erhalten, deren Breite von der jeweils beim Spannungsvergleich
herrschenden Spannung abhängig ist. Dem Spannungskomparator 3 folgt über ein Gatter
15, an dessen zweitem Eingang ein frequenzkonstante Zählimpulse liefernder Generator
16 angeschlossen ist, eine Zähleinrichtung 14, die im Fall der Fig. 1 aus einem
vor- und rückwärts zählenden Zählgerät besteht. Die Zähleinrichtung 14 erhält somit
über das Gatter 15 so lange Zählimpulse vom Generator 16, als der Rechteckimpuls
am Ausgang des Spannungskomparators 3 aufscheint.
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Zur Bestimmung der indizierten Arbeit ist es nun erforderlich, jeweils
den Inhalt der von der Druckkurve (in Fig.2 für eine Viertaktmaschine dargestellt)
bestimmten Flächen bis A4 zu bestimmen und sinngemäß zu addieren bzw. zu subtrahieren.
Es ist also zunächst der Flächeninhalt A1 innerhalb des Bereiches von 0 bis 1800
Kurbelwinkel zu bestimmen, hiervon die Fläche, innerhalb des Bereiches von 180 bis
3600 Kurbelwinkel abzuziehen, sodann die Fläche, innerhalb des Bereiches von 360
bis 5400 Kurbelwinkel zu addieren und schließlich die Fläche A4 innerhalb des Bereiches
von 540 bis 7200 Kurbelwinkel zu subtrahieren. Hierzu ist ein eigener Schaltkreis
18 bis 28 vorgesehen, welcher die Zähleinrichtung 14 sinngemäß steuert.
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Dieser Schaltkreis umfaßt einen zweiten Impulsgeber 18, der von zwei
zusätzlich an der Scheibe 5 bei 0 und 1800 Kurbelwinkel, entsprechend dem oberen
und unteren Totpunkt der Maschine, angeordneten ferromagnetischen Plättchen 17 erregt
ist und dem eine Begrenzerstufe 19 sowie eine Impulsformerstufe 20 nachgeschaltet
sind. Die Impulsformerstufe 20 steuert einerseits ein Schieberegister 21 und anderseits
eine Untersetzerstufe 24. Das beim Ausführungsbeispiel fünfstufig ausgebildete Schieberegister
21 ist über den Ausgang der ersten und dritten Stufe einerseits über ein erstes
UND-Gatter 26 mit dem linken Eingang einer das Tor des Gatters 15 steuernden bistabilen
Kippstufe 23 verbunden und anderseits über ein zweites UND-Gatter 27 an den Eingang
für Vorwärtszählung der Zähleinrichtung 14
angeschlossen. Die Ausgänge
der zweiten und vierten Stufe des Schieberegisters 21 sind hingegen über ein drittes
UND-Gatter 28 mit dem Eingang für Rückwärtszählung der Zähleinrichtung 14 verbunden.
Die fünfte Stufe des Schieberegisters 21 steuert schließlich den rechten Eingang
der bistabilen Kippstufe 23 an.
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Der genannten Untersetzerstufe 24 folgt ein Wahlschalter 25, dessen
linker Ausgang an das erste und zweite UND-Gatter 26 und 27 angeschlossen ist, wogegen
sein rechter Ausgang mit dem dritten UND-Gatter 28 in Verbindung steht.
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Für den Steuerschaltkreis 18 bis 28 ergibt sich somit folgende Betriebsweise:
Die Messung kann beginnen, sobald das Schieberegister 21 über seine Rückstelleitung
22 in die Ausgangslage gebracht wurde. Der Impulsgeber 18 liefert nun über die Begrenzerstufe
19 und die Impulsformerstufe 20 Rechteckimpulse, wobei der erste einstreffende Impuls
die bistabile Stufe in die linke Lage kippt, sofern das Gatter 26 leitend ist. Damit
wird das Gatter 15 für die Zählimpulse freigegeben. Das Schieberegister 21 hat die
Aufgabe, die Zählung nur beim oberen Totpunkt beginnen zu lassen und damit die richtige
Zuordnung der Zählrichtung festzulegen. Zu diesem Zweck wird über den Impulsuntersetzer
24 nur jeder zweite Impuls durchgelassen, wobei über den Wahlschalter 25 nach dem
Anlaufen der Maschine die richtige Zuordnung festgelegt wird. Gleichzeitig werden
von dieser Stufe 24 das zweite und dritte UND-Gatter 27 und 28 für die Vor- und
Rückwärtszählung kontrolliert. Jeder weitere eintreffende Impuls am Eingang des
Schieberegisters 21 schaltet somit abwechselnd den Zähler auf Vor- bzw. Rückwärtszählung.
Der fünfte, also wieder der Ausgangslage entsprechende Impuls stellt die bistabile
Stufe 23 zurück und beendet damit durch Sperrung des Gatters 15 den Zählvorgang.
Erst eine neuerliche Rückstellung leitet nochmals einen Zählvorgang ein. Bei mehrstufiger
Ausbildung des Schieberegisters kann der Vorgang über mehrere Umläufe der Maschine
ausgedehnt werden, wobei dann mit den Ausgängen der ersten und dritten Stufe auch
die Ausgänge der weiteren, ungeradzahligen Stufen mit Ausnahme der letzten, und
mit den Ausgängen der zweiten und vierten Stufe auch die Ausgänge der weiteren,
geradzahligen Stufen zu verbinden sind.
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Ist kein vor- und rückwärts zählender Zähler vorhanden, so können
gemäß F i g. 3 auch zwei getrennte Zählgeräte 29 und 30 verwendet werden, wovon
eines, 29, alle positiven und das andere, 30, alle negativen Flächen auszählt. Anschließend
müssen die Ergebnisse subtrahiert werden. Bei dieser Art werden die Zählimpulse
zusätzlich über die zählrichtungskontrollierenden Gatter 27 und 28 geführt.