DE1466837C3

DE1466837C3 - Schaltungsanordnung für einen Ergometer

Info

Publication number: DE1466837C3
Application number: DE1466837A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: JAEGER ERICH 8700 WUERZBURG
Current assignee: JAEGER ERICH 8700 WUERZBURG
Priority date: 1964-11-25
Filing date: 1964-11-25
Publication date: 1974-04-11
Also published as: NL6515186A; CH432045A; US3505992A; DE1466837B2; DE1466837A1; SE318057B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Ergometer mit einem von einer zu untersuchenden Person über ein mechanisches Getriebe angetriebenen Generator, an dessen Ausgang ein Belastungswiderstand angeschaltet ist, der mit einer Regelschaltung zur Regelung der vom Belastungswiderstand aufgenommenen Leistung verbunden ist.

Bei einem Ergometer der obengenannten Art (»Dynamo-Ergometer«), wie es z. B. aus der deutschen Patentschrift 1054204 und der Zeitschrift »Medizinalmarkt« Heft 11, 1957, Seite 412 bekannt ist, treibt die zu untersuchende Person einen elektrischen Dynamo an, der mit einem Verbraucher, wie einem Widerstand, verbunden ist, in dem die erzeugte elektrische Leistung vernichtet wird. Es ist bekannt, Regelschaltungen zu verwenden, die meist auf das Feld des Generators wirken und die vernichtete Leistung unabhängig von der Drehzahl auf einem einstellbaren Wert konstant halten, wenn eine Mindestdrehzahl überschritten ist. Die zu untersuchende Person kann also den Dynamo mit einer praktisch beliebigen ihr genehmen Drehzahl antreiben, ohne daß die abgegebene Leistung dadurch beeinflußt würde.

In elektrischer Hinsicht ist an den bekannten Schaltungsanordnungen zur drehzahlunabhängigen Leistungsstabilisierung für Ergometer nichts auszusetzen. Außer der vernichteten elektrischen Leistung muß die untersuchte Person jedoch auch eine Reibungslei-

!5 stung aufbringen, die unvermeidbar in der Kraftübertragung zwischen der Kurbel und dem Dynamo und in den verschiedenen Lagern verbraucht wird. Diese mechanische Reibungsleistung ist etwa proportional der Drehzahl und läßt sich durch die bekannten elekfrischen Stabilisierungsschaltungen nicht erfassen. Die elektrische Leistung wird bei den bekannten Schaltungen gewöhnlich durch ein Meßinstrument ange- r zeigt, das die Verbraucherspannung oder den Verbraucherstrom mißt und in Leistungseinheiten geeicht ist. Man hat bisher versucht, die Reibungsleistung durch eine Umeichung des Meßinstrumentes jedenfalls bis zu einem gewissen Grade zu berücksichtigen; dies kann natürlich nur einen sehr unzulänglichen Kompromiß darstellen, da die erzeugte elektrische Leistung ja durch die Stabilisierungsschaltung im normalen Betriebsbereich des Gerätes unabhängig von der Drehzahl ist und der Anteil der Reibungsleistung an der von der untersuchten Person aufgebrachten Gesamtleistung daher in weiten Grenzen schwanken

kann. >

Durch die vorliegende Erfindung soll daher eine Schaltungsanordnung für ein Ergometer angegeben werden, bei der die gesamte Leistung, die die untersuchte Person an das Ergometer abgibt, unabhängig von der Generatordrehzahl konstant gehalten wird und nicht wie bisher nur die elektrische Leistung.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine ( der Reibungsleistung entsprechende drehzahlabhängige elektrische Größe der Regelschaltung als Störgröße aufgeschaltet ist.

Durch diese Maßnahme wird die Genauigkeit der ergometrischen Messungen wesentlich erhöht.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der verschiedenen Leistungsanteile von der Antriebsdrehzahl des Ergometers,

F i g. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung und

F i g. 3 ein Detailschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei ergometrischen Untersuchungen soll die Belastung der zu untersuchenden Person, also die an das Ergometer abgegebene Gesamtleistung unabhängig von der Antriebsdrehzahl auf einem eingestellten Wert konstant bleiben. In der Praxis setzt dies eine gewisse Mindestdrehzahl n_o voraus, und der Verlauf der Gesamtleistung N soll dann im Idealfalle inner-

halb des Betriebsbereiches oberhalb von n_o der der Abszisse parallelen Geraden N entsprechen. Die Gesamtleistung N_g setzt sich jedoch aus zwei voneinander unabhängigen Anteilen zusammen, nämlich der im Übertragungsmechanismus und den Lagern verbrauchten mechanischen Reibungsleistung N_r, die etwa proportional der Drehzahl η ist und der elektrischen Leistung, die in einem an den elektrischen Generator des Ergometers angeschlossenen Belastungswiderstand in Wärme umgesetzt wird. Die bisherigen Ergometerschaltungen hielten diese elektrische Leistung konstant, so daß die elektrische Leistung entsprechend der Kurve N_g in Fig. 1 verlief. Die von der zu untersuchenden Person aufgebrachte wahre Leistung verläuft dann aber entsprechend der Kurve '5 N_w, da durch die bekannten elektrischen Schaltungen nur die elektrische Leistung konstant gehalten wurde. Durch eine Umeichungdes die vernichtete elektrische Leistung anzeigenden Instrumentes läßt sich natürlich der Reibungsanteil nicht erfassen, da dieser im Regelbereich unabhängig von der eingestellten elektrischen Leistung ist.

Durch die Erfindung wird der Nachteil dadurch beseitigt, daß die Regelschaltung so ausgebildet ist, daß die vom Belastungswiderstand aufgenommene elektrische Leistung um einen der Generatordrehzahl proportionalen Betrag herabgesetzt wird. Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung verläuft die elektrische Leistung also entsprechend der in Fig. 1 gestrichelt gezeichneten Geraden N_e, so daß nun die Summe N_t + N_r, also die vom Patienten aufzubringende Gesamtleistung N_g, im gesamten Arbeitsbereich wirklich konstant ist.

Die Erfindung läßt sich auf verschiedene Weise realisieren. Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Erfindung baut auf einer bekannten Schaltungsanordnung mit Feldregelung auf. Ein Anker 1 eines Generators oder Dynamos 2 ist über ein mechanisches Getriebe 3 mit einer von der zu untersuchenden Person zu betätigenden Kurbel 4 verbunden. Der Dynamo ist außerdem mit einem Tachometergenerator 5 gekuppelt, der eine drehzahlabhängige Spannung liefert, die durch ein in Drehzahlwerte geeichtes Spannungsmeßinstrument 6 angezeigt wird. Ein Spannungsversorgungsgerät 7 speist einen Feldregler 8, an den eine Feldwicklung 9 des Generators 2 angeschlossen ist, und liefert eine Bezugsspannung an ein Potentiometer 10, von dessen Schleifer 11 eine einstellbare Vergleichsspannung i/„ abgenommen wird, die den durch die Regelspannung konstant gehaltenenLeistungswert N₀ (Fig. 1) bestimmt. An den Anker 1 des Generators ist ein Belastungswiderstand 12 angeschlossen, in dem die vom Generator 2 erzeugte elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird. Die eine Klemme des Ankers 1 ist über eine Schaltdiode 13 mit einem an die Regelschaltung 8 angeschlossenen Verstärker 14 verbunden. Läßt man die noch zu beschreibende Kompensationsstufe 15 und das Potentiometer 16 außer Betracht, so liegt dem Belastungswiderstand 12 ein Spannungsmeßgerät 17 parallel, das in Leistungseinheiten geeicht ist und die vom Patienten abgegebene Leistung anzeigen soll. Bis auf die Stufe 15 und das Potentiometer 16 ist die oben beschriebene Anordnung bekannt. Denkt man sich die beiden zuletzt erwähnten Bauteile weg, so arbeitet die bekannte Schaltungsanordnung folgendermaßen: wenn der Anker 1 des Generators 2 stillsteht, liegt an der Schaltdiode 13 als Sperrspannung die Vergleichsspannung £/„; Der vom Feldregler 8 an die Feldwicklung 9 gelieferte Feldstrom hat dann seinen Maximalwert. Wenn der Anker 1 nun über die Antriebsanordnung 3, 4 in Umdrehung gesetzt wird und die Drehzahl einen bestimmten Wert n_o übersteigt, wird die Ankerspannung größer als die Vergleichsspannung U_v, die Diode 13 wird entsperrt und de"r Feldregler 8 setzt den Feldstrom so weit herab, daß die Ankerspannung (bis auf die Regelabweichung) gleich der Vergleichsspannung ist. Auch bei weiter steigender Drehzahl η bleibt dann bei der bekannten Anordnung die Ankerspannung und damit die elektrische Leistung konstant, während die vom Patienten zusätzlich aufzubringende Reibungsleistung N_r proportional der Drehzahl schwankt.

Um nun die Reibungsleistung zu erfassen und die Gesamtleistung N_g, also die elektrische Leistung plus Reibungsleistung, konstant zu halten, ist der Ankerspannung, die am Widerstand 12 abfällt, noch eine Kompensationsspannung, die von der Stufe'15 geliefert wird, in Reihe geschaltet, so daß der Feldregler nun die Summe aus Ankerspannung und Kompensationsspannung konstant hält. Diese Summe wird bei der erfindungsgemäßen Schaltung auch durch das In-. strument 17 angezeigt. Im Idealfalle soll die Kompensationsspannung proportional der Wurzel der Drehzahl sein, da die im Widerstand 12 in Wärme umgesetzte elektrische Leistung proportional dem Quadrat der Ankerspannung ist. '

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird die von der Stufe 15 gelieferte Kompensationsspannung U_k aus der vom Tachometergenerator 5 gelieferten drehzahlproportionalen Spannung erzeugt. Die Stufe 15 enthält also ein nichtlineares Glied, das aus der am Potentiometer 16 abgegriffenen drehzahlproportionalen Spannung eine Kqmpensationsspannung U_k herstellt, die wenigstens annähernd proportional der Wurzel der Drehzahl ist. Das Potentiometer 16 gestattet den Proportionalitätsfaktor einzustellen und damit den absoluten Betrag des Reibungswiderstandes der mechanischen Teile zu berücksichtigen.

In der Praxis kann der Tachometergenerator 5 ein Wechselspannungsgenerator sein und die gewünschte Nichtlinearität kann dann durch die Gleichrichterschaltung und einen entsprechend bemessenen Verstärkergebildet werden. Bis zu einem gewissen Grade ist auch die Ankerrückwirkung im Generator 2 zu berücksichtigen. Schaltungsanordnungen mit Wurzelcharakteristik sind an sich bekannt.

Das in Fig. 3 dargestellte Detailschaltbild entspricht dem Blockschaltbild der Fi g. 2 und es wurden daher die gleichen Bezugszeichen verwendet. Das Schaltbild ist für einen Elektroniker ohne weiteres verständlich, so daß sich eine ins einzelne gehende Beschreibung dieses Schaltbildes erübrigt.

Bei der beschriebenen Schaltungsanordnung nimmt der Feldstrom mit zunehmender Drehzahl ab, er ist dementsprechend bei der Drehzahl Null maximal. Dies kann bei den oft unvermeidlichen langen Wartezeiten zwischen den einzelnen Untersuchungsphasen zu einer unerwünschten Erwärmung der Feldwicklung und damit der Generatoranordnung führen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher zur Behebung dieses Mangels in den Stromkreis der Feldwicklung 9 (Fig. 2) ein Schalter 18a geschaltet, der von einer drehzahlempfindlichen Einrichtung gesteuert wird, z. B. einem nur schematisch dargestellten

elektronischen oder elektromagnetischen Relais 18b, das zweckmäßigerweise an den Tachometergenerator 5 angeschlossen ist. Der Feldstrom ist also so lange unterbrochen wie die Drehzahl unterhalb eines bestimmten Wertes, in der Praxis beispielsweise 5 bis 10 U/min, liegt.

Die beschriebenen Ausführungsformen 1-assen sich natürlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu übersteigen. Die Kompensationsspannung kann auch auf andere Weise erzeugt werden. Statt einer Spannungskompensation kann natürlich ebenso mit einer Stromkompensation gearbeitet werden, in diesem Falle wird dann durch den Lastwiderstand ein zusätzlicher, drehzahlabhängiger Strom geschickt und der Gesamtstrom wird konstant gehalten. <

Hierzu 1 Blatt Zeichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für ein Ergometer mit einem von einer zu untersuchenden Person über ein mechanisches Getriebe angetriebenen Generator, an dessen Ausgang ein Belastungswiderstand angeschaltet ist, der mit einer Regelschaltung zur Regelung der vom Belastungswiderstand aufgenommenen Leistung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Reibungsleistung entsprechende drehzahlabhängige elektrische Größe der Regelschaltung als Störgröße aufgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehzahlabhängige elektrische Größe eine Kompensationsspannung ist, die der Wurzel des Betrages der Drehzahl wenigstens annähernd proportional ist, und daß die Summe der am Belastungswiderstand abfallenden Generatorausgangsspannung und der Kompensationsspannung mit dem Istwerteingang der Regelschaltung verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldstrom des Generators in an sich bekannter Weise die Stellgröße der Regelschaltung ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Reibung entsprechende elektrische Größe mittels eines Tachometergenerators erzeugt wird, der eine drehzahlproportionale Spannung liefert.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Tachometergenerators mit einem Potentiometer (16) verbunden ist, und daß ein mittels des Potentiometers (16) einstellbarer Teil der Ausgangsspannung des Tachometergenerators einer Schaltungsanordnung zugeführt ist, deren Übertragungsfunktion der Quadratwurzelfunktion entspricht.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit derFeldwicklung (9) ein Arbeitskontakt (18a) geschaltet ist, der von einer drehzahlempfindlichen Einrichtung (186) beim Überschreiten einer Mindestdrehzahl geschlossen wird.