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Erst nach vollzogener Gleichspannungsaufladung kann an dem Kondensator
die Wechselspannung mit genügender Genauigkeit abgegriffen werden. Die Einschwingzeit
wird bei den oben beschriebenen RC-Gliedern dann besonders lang, wenn wegen einer
niedrigen unteren Grenzfrequenz der nachgeschaltete Last-Widerstand besonders groß-sein
muß, wodurch sich wiederum der Kondensator nur langsam auf den Gleichspannungswert
aufladen kann.
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In den Fällen, in denen eine derartige Aufladung nur einmal während
des gesamten Betriebes stattfindet, kann die zur Aufladung erforderliche Zeit vernachlässigt
werden. In den Fällen aber, in denen ganze Reihen einzelner kurzer Messungen von
mit einer Gleichspannung überlagerten Wechselspannungen gemacht werden, sind derartige
lange Einschwingzeiten durchaus hinderlich. Das gilt insbesondere dann, wenn die
Frequenzen dieser Wechselspannungen sehr niedrig sind und beispielsweise bei einem
halben Hertz liegen. In solchen Fällen muß nämlich zur Vermeidung von größeren Nichtlinearitäten
die Zeitkonstante für das RC-Glied besonders groß gewählt werden.
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Derartige Wechselspannungen mit besonders niedriger Frequenz, die
einer Gleichspannung überlagert sind, kommen beispielsweise in der Reifenindustrie
vor, wo die Gleichförmigkeit von Rädern mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen oder Wegaufnehmern
elektrisch gemessen wird. Die Gleichspannung ist dabei durch die Vorlast bedingt,
mit der der Meßfühler auf das Rad aufgepreßt wird, bzw. die Position eines Wegaufnehmers,
welcher in keiner definierten Anfangsstellung steht.
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Aufgabe der Erfindung ist es,. eine Anordnung der eingangs geschilderten
Art zu schaffen, mit der es möglich ist, längere Einschwingzeiten zu vermeiden,
so daß schon nach relativ kurzer Zeit eine Aussage über die Größe der Wechselspannung
gemacht werden kann.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Verkürzung der Einschwingzeit
des RC-Gliedes nach dessen Umschaltung die RC-Konstante des RC-Gliedes von einem
niedrigen auf einen zur Auskopplung des Wechselsp annungsanteils ausreichenden Wert
stetig veränderbar ist. Hierbei sollte die Zeit für das Verändern der Zeitkonstante
etwa dem 2fachen Wert dèr Periodendauer der niedrigsten Signalfrequenz entsprechen.
Durch eine derartige Maßnahme läßt sich praktisch der durch den Aufladungsvorgang
auf Grund des Gleichspannungsanteils bedingten Störung der Wechselspannungsmessung
wirksam entgegentreten, indem einerseits der Kondensator schnell auf den Gleichspannungswert
aufgeladen werden kann, andererseits der Widerstand einen für die Messung der niedrigsten
Frequenzen geeigneten Wert erhält.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der-Erfindung ist dadurch
gegeben, daß der Widerstandswert des Widerstandes und somit auch die Zeitkonstante
des RC-Gliedes nach dessen Einschaltung sich in Form einer e-Funktion erhöht, wodurch
der nach einer e-Funktion verlaufenden Einschwingzeit eines RC-Gliedes entgegengewirkt
wird.
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Für viele Anwendungsgebiete ist es günstig, wenn das RC-Glied als
Intergrierglied geschaltet ist, beispielsweise in den Fällen, in denen eine gleichstrommäßige
Kopplung zwischen Eingang und Ausgang erwünscht ist, und beide Signale (Gleichspannung
und Wechselspannung) an einem einzigen RC-Glied ausgekoppelt werden sollen (s. Fig.
1). Dabei empfiehlt essich, daß der Widerstand des RC4liedes eine Fotozelle aufweist,
welche von einer Lampe bestrahlt wird, die kurz nach der Einschaltung des RC-Gliedes
abgeschaltet wird. Mit Hilfe der Fotozelle lassen sich die hohen gewünschten RC-Konstaaten
erreichen, die bei Messungen niedriger Frequenzen nötig sind.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung wird dadurch besonders
einfach, daß die Gleichspannung an der Ausgangs klemme des Integriergliedes ausgekoppelt
wird und die Wechselspannungskomponente als Differenz an dem Eingang und Ausgang
des Integriergliedes vorhanden ist. Erhöht sich bei einem derartigen Aufbau der
erfindungsgemäßen Anordnung der Widerstandswert des Widerstands des RC-Gliedes nach
dessen Umschaltung in Form einer e-Funktion, so geht die Spannung am Kondensator,
welche vorher noch wegen der kleinen Zeitkonstante dem Eingangssignal folgte, nach
einer Zeit, die wesentlich unter der Einschwingzeit eines RC-Gliedes mit konstanter
Zeitkonstante liegt, in den Mittelwert über.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausfahrungsbeispiels
näher erläutert. Darin zeigt F i g. 1 eine elektrische Schaltung, in der die erfindlungsgemäße
Anordnung Verwendung findet, Fig. 2 eine für die Erfindung wichtige Einzelheit aus
der Schaltung nach F i g. 1 und F i g. 3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung
der erfindungsgemäßen Anordnung.
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Läßt man das Rad eines Fahrzeugs unter Beta. stung mit konstantem
Abstand auf einer Trommel drehen, so ist der Anpreßdruck innerhalb einer Radumdrehung
bedingt durch die Ungleichförmigkeit des Fahrzeugreifens nicht konstant. Unter Zwischenschaltung
eines elektrischen Kraftmeßelements kann eine dieser Ungleichförmigkeit analoge
Spannung gewonnen werden. Dabei entspricht der Mittelwert der Spannung der Radlast
und die Spannungsschwankung der Ungleichförmigkeit des Rades.
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Um die im Vergleich zum Mittelwert kleinen Spannungsschwankungen
anzuzeigen, ist es zweckmäßig, den Mittelwert abzutrennen, da sonst eine zu geringe
Auflösung des dynamischen Anteiles erreicht wird. Die Auftrennung des gemischten
Signals geschieht mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der das RC-Glied
als Integrierglied ausgestaltet ist. Durch die Anwendung der Erfindung folgt ein
sehr schnelles Einschwingen der Ausgangsspannung des Integriergliedes, so daß man
bereits mit einer Integrationszeit von ein bis zwei Perioden sicher auskommt Eine
solche Verkürzung der notwendigen Einschwingzeit hat den Vorteil, daß ein Meßvorgang,
der vorher zum Beispiel ein bis zwei Minuten gedauert hat, bereits nach 20 Sek.
beendet ist.
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Will man eine gute Mittelwertbildung erhalten, so muß die Zeitkonstante
des Integriergliedes groß gegen die Radumlauffrequenz sein. Die Radumlauffrequenz
kann nicht beliebig hoch gewählt werden, da sonst, wegen der begrenzten Eigenfrequenz
der Meßvorrichtung, Resonanzüberhöhung eintritt. Die Radumiauffrequenz ist dadurch
auf etwa 0,2 bis 0,5 dz begrenzt. Die dadurch notwendige Zeitkonstante T des Integriergliedes
beträgt somit etwa 10 Sek., wobei sich für ein Einschwingen des RC-Gliedes, welches
einer e-Funktion folgt, auf 99,9 O/o des Endwertes eine Zeit von etwa 7. T = 70
Sek. ergibt, während für den eigentlichen Meßablauf nur ein bis zwei Radumdrehungen
benötigt werden. Die Taktzeit der in F i g. 1 dargestellten Meßvorrichtung wird
hauptsächlich durch die Einschwingzeit des zur Trennung der beiden Komponenten benötigten
RC-Gliedes bestimmt.
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Die als Meßvorrichtung ausgestaltete elektrische Schaltung besitzt
ein Integrierglied, welches mit einem Serienwiderstand 2 und einem Parallelkondensator
3 versehen ist. Eine Spannungsquelle 1 gibt die die beiden zu trennenden Komponenten
enthaltende Spannung ab, wobei, wie oben schon erläutert, die abgegebene Gleichspannung
der Radlast und die abgegebene Spannungsschwankung der Ungleichförmigkeit des gemessenen
Rades entspricht.
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An den Ausgang 7 des Integriergliedes ist ein erstes Meßinstrument
5 angeschlossen, welches den nachfolgend vielfach als Mittelwert bezeichneten Gleichspannungswert
anzeigt. Wird von der gemischten Eingangsspannung der Spannungsquelle 1 am Eingang
6 der an einem Ausgang 7 auftretende Mittelwert abgezogen, so erhält man die nachfolgend
vielfach als schwankender Wert bezeichnete Wechselspannung, welche beispielsweise
durch ein zweites Meßinstrument 4 angezeigt werden kann.
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Bei einem praktischen Aufbau der Meßvorrichtung nach Fig. 1 werden
selbstverständlich an verschiedenen Verbindungspunkten der einzelnen Bauelemente
Verstärker zwischengeschaltet, die die entsprechenden Signale sowohl verstärken
als auch für eine Entkoppelung sorgen. Zur besseren Übersichtlichkeit
wurden
diese Verstärker in dem vorliegenden Beispiel jedoch weggelassen.
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Soll nun mit der Meßvorrichtung nach Fig.1 das von der- Spannungsquelle
1 abgegebene Spannungssignal durch Trennen der beiden Komponenten verarbeitet werden;
wobei dieses Signal wie weiter oben schon angegeben eine sehr niedrige Frequenz
hat, so muß die Zeitkonstante des Integriergliedes verhältnismäßig hoch sein. Die
erforderliche Einschwingzeit ist dabei verhältnismäßig lang, weil zum Erreichen
einer hohen Meßgenauigkeit die Integrationszeit ein Mehrfaches der Zeitkonstanten
des Integriergliedes betragen soll. Hat das Spannungssignal der Spannungsquelle
1 zum Beispiel eine Periodendauer von 5 Sekunden (also eine-Frequènz von 0,2 2Hz)
und das Integrierglied eine Zeitkonstante von iOSek., so ist ein mindestens das
vier- bis fünffache der Zeitkonstanten betragender Zeitraum, also eine Zeit von
mindestens 40 bis 50 Sek. nötig, bis sich das Ausgangssignal auf. etwa 99 °/o des
eingangsseitigen Spannungssignals eingeschwungen hat. Ein derartig großer Zeitaufwand
ist für die meisten Meßvorgänge recht lästig, - insbesondere dann, wenn es sich
um Messungen für die Produktionsüberwachung von gefertigten Teilen handelt, die
in großen Stückzahlen hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann nun während der Einschwingzeit
die Zeitkonstante des aus dem Serienwiderstand 2 und dem Parallelkondensator 3 gebildeten
Integriergliedes in F i g. 1 verändern, so daß die Zeitkonstante zum Beispiel nicht
einen festliegenden Wert von 10 Sek. hat, sondern nach dem Starten der Meßvorrichtung
bis zum Meßbeginn hin von einem niedrigen auf einen hohen Wert gesteuert wrrd. Hierzu
wird der Serienwiderstand 2 in Fig.. 1 als eine in Fig. 2 gezeigte Widerstandskombination
ausgestaltet.
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F i g. 2 zeigt mehr ins einzelne gehend den Aufbau des Serienwiderstandes
2, welcher als eine Widerstandskombination ausgestaltet ist. Diese Widerstandskombination
besteht aus einem Fotowiderstand 21, einem Vorwiderstand 22 und einem Parallelwiderstand
23. Der Fotowiderstand 21 ist in einer Kammer in der Nähe einer Glühlampe 24 angeordnet,
durch welche er nach dem Start der Meßvorrichtung belichtet wird. Durch die Belichtung
des Fotowiderstandes 21 durch die Glühlampe 24 wird der Fotowiderstand 21 niederohmig,
und die gesamte Widerstandskombination hat einen Widerstandswert, der im wesentlichen
gleich dem Widerstandswert des Vorwiderstandes 22 ist. Wird nun die Glühlampe 24
abgeschaltet und der Fotowiderstand 21 somit nicht mehr belichtet, so erhöht sich
der Widerstandswert mit einer bestimmten Zeitverzögerung erheblich. Als Fotowiderstand
wird eine besonders träge Ausführung verwendet. Nach einiger Zeit ist der Widerstandswert
des Fotowiderstandes so hoch, daß sich der Widerstandswert der Widerstandskombination
im wesentlichen durch den Widerstandswert des Parallelwiderstandes 23 bestimmt,
wobei vorausgesetzt wird, daß der Widerstandswert des Fotowiderstandes 21 erheblich
größer als der des Parallelwiderstandes 23 ist. Die Abhängigkeit des Widerstandswertes
der Widerstandskombination nach Fig.2 von der Zeit ist durch eine Kurve 8 in F i
g. 3 dargestellt.
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Zum ZeitpunktT = O ist der Vorwiderstand 22 wirksam, der in der vorliegenden
Widerstandskombination zum Beispiel 10 kr beträgt. Wird nun die
Glühlampe 24 abgeschaltet,
so steigt der Widerstandswert des Fotowiderstandes infolge von dessen Trägheit allmählich
an, bis er in der vorliegenden Widerstandskombination nach T = 10 Sek. einen so
hohen Wert erreicht, daß der Parallelwiderstand 23 wirksam wird, der in der hier
beschriebenen Anordnung einen Wert von 1 Megohm hat. Durch entsprechende Anpassung
der Widerstände 21, 22 und 23 in Fig. 2 läßt sich ein Verlauf für die Kurve 8 in
Fig. 3 erzielen, der einer e-Funktion entspricht.
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Ändert sich nun erfindungsgemäß der Serienwiderstand 2 der Anordnung
nach F i g. 1 in der oben beschriebenen Weise von einem niedrigen auf einen hohen
Widerstandswert, so verändert sich gleichzeitig auch-die Zeitkonstante des aus.
- dem Serienwiderstand 2 und demParallelkondensator 3 gebildeten Integriergliedes.
Beim Verlauf der Kurve 8 nach F i g. 3 verschiebt sich der Widerstandswert des Serienwiderstandes
2 in F i g. 2 und somit der Widerstandswert der Widerstandskombination nach F i
g. 3 von 10 kr auf 1 Megohm, also in einem Verhältnis von 1 : 100. Der Meßvorgang
mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 1 verläuft nun folgendermaßen: Unmittelbar
nach dem Starten der Meßvorrichtung, aber noch vor Meßbeginn wird die Glühlampe
24 kurzzeitig eingeschaltet und dann gleich wieder abgeschaltet. Im eingeschalteten
Zustand wird der Fotowiderstand 21 belichtet, und es ergibt sich eine sehr niedrige
Zeitkonstante von zum Beispiel 0,1 Sek. (in diesem Fall muß der Parallelkondensator
3 einen Wert von 10 Mikrofarad haben). Solange diese sehr kleine Zeitkonstante wirksam
ist, erfolgt ein sehr schnelles Einschwingen des Ausgangssignals des Integriergliedes
auf den Augenblickswert, der an dem ersten Meßinstrument 5 in F i g. 1 angezeigt
wird. Mit der dem Anwachsen des Widerstandswertes gemäß Fig. 3 entsprechenden Vergrößerung
der Zeitkonstanten nach einer e-Funktion geht die Spannung am Ausgang 7 vom Augenblickswert
des Spannungssignals der Spannungsquelle 1 in deren Mittelwert über, die in dem
Gleichspannungsanteil des Spannungssignals besteht. An den Enden des Serienwiderstandes
2 läßt sich somit die als Wechselspannung wirksame Spannungsschwankung abgreifen,
welche mit Hilfe des zweiten Meßinstrumentes 4 gemessen wird.
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An Stelle der Widerstandskombination nach F i g. 2 kann selbstverständlich
auch jedes andere geeignete Netzwerk verwendet werden, welches einen der Kurve in
F i g. 3 entsprechenden Verlauf hat. In der vorliegenden Anordnung wurde die Verwendung
eines von der Glühlampe 24 gesteuerten trägen Fotowiderstandes 21 aus Kostengründen
gewählt. Als Fotowiderstand hat sich dabei ein Cadmium-Chalkogenid-Schichtwiderstand
bewährt, wobei man ein besonders träges Exemplar aussuchen sollte. Es kann aber
auch ein schneller Fotowiderstand verwendet werden, wenn man die Lampenhelligkeit
steuert. Auch lassen sich mit Vorteil gesteuerte Feldeffekttransistoren oder Motorpotentiometer
oder andere veränderliche Widerstände einsetzen.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung nach den Fig.
1 bis 3 in einer Maschine zum Prüfen der Gleichförmigkeit von Fahrzeugluftreifen
hat sich - die vorliegende Erfindung sehr bewährt. Beim Aufziehen eines Reifens
über eine Prüffelge muß der Reifen jedoch unter Nennbelastung eine bis zweimal umlaufen,
da mit er sich einwandfrei
setzt. Während dieses Umlaufens kann
der Meßvorgang bereits mit niedriger Zeitkonstante des Integriergliedes eingeleitet
werden, und zwar bleibt während dieses Zeitraums die Glühlampe 24 eingeschaltet.
Sobald die notwendigen Kräfte am drehenden Rad vorhanden sind, wird die Lampe abgeschaltet,
und es folgt die Einschwingzeit, die etwa zwei Umdrehungen des Reifens entspricht.
Nach dem Ende der Einschwingzeit wird innerhalb einer Radumdrehung der Meßwert abgefragt.
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Bei einer praktischen Ausführungsform werden die dem Gleichspannungsanteil
entsprechende Mittelwertkomponente und die der Wechselspannung entsprechende dynamische
Komponente zweckmäßiger-
weise über Trennverstärker entnommen, in Analogwertspeicher
eingespeichert und dann zur Anzeige auf Drehspulmeßinstrumente gegeben. Die Steuerung
aufeinanderfolgender Vorgänge folgt dann durch eine entsprechende zeitliche Programmsteuerung.
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Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Anordnung auch zur Ermittlung
anderer Meßgrößen am Rad benutzt werden, wie zum Beispiel der Kräfte in seitlicher
oder Längsrichtung bzw. der Momente um die Achsen. Auch läßt sich die erfindungsgemäße
Anordnung vorteilhaft für das Messen der Rundheit eines Reifens oder Rades einsetzen
oder ganz allgemein überall dort, wo eine kurze Einschwingzeit gewünscht wird.