DE1963000A1

DE1963000A1 - Einrichtung zum Messen der relativen Bewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung

Info

Publication number: DE1963000A1
Application number: DE19691963000
Authority: DE
Inventors: Ingvar Andermo
Original assignee: INST MIKROVAGSTEKNIK
Current assignee: INST MIKROVAGSTEKNIK
Priority date: 1968-12-10
Filing date: 1969-12-08
Publication date: 1970-09-10
Also published as: SU515472A3; FR2025826A1; JPS5034952B1; SE334254B; US3689157A; DE1963000C3; GB1250089A; DE1963000B2; CH503998A

Description

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Institutet for mikrovagsteknik Valhallavägen 79, S-100 44, Stockholm 70 (Schweden)

Einrichtung zum Messen der relativen Bewegung zwischen einem. Gegenstand und-dessen Umgebung

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Messen der relativen Bewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung. Die Einrichtung nach der Erfindung weist auf eine Signalquelle, zwei Abtastvorrichtungen, eine Vergleichsschaltung, eine Verzögerungsschaltung und eine Steuerschaltung, wobei die Abtastvorrichtungen zwei gleiche, jedoch von der Entfernung der Abtastvorrichtungen in der Bewegungsrichtung von einander abhängige Signale erzeugen, die zeitlich gegeneinander versetzt sind und ihren Ursprung in der Signalquelle haben, welche Signale Rauschsignalmerkmale aufweisen. Die Vergleichsschaltung vergleicht die beiden Signale mit einander, während die Verzögerungsschaltung das eine der Signale verzögert. Die Steuerschaltung steuert einige Schaltungselemente der Messeinrichtung mit dem Ziel, die Signale an den beiden Eingängen der

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Vergleichsschaltung an einander anzugleichen. Eine derartige Einrichtung ist in der schwedischen Patentanmeldung 15079/67 offenbart„

Wie.sich gezeigt hat, müssen bei einer derartigen Einrichtung besondere Mittel vorgesehen werden, damit diese Einrichtung bei geringen Geschwindigkeiten befriedigend arbeiten kann. Die Signale aus den Abtastvorrichtungen weisen ein Frequenz-Spektrum auf, das in Abhängigkeit von dem Umstand, dass die Signale ihren Ursprung in der räumlichen Veränderbarkeit der Signalquelle haben, proportional der relativen Geschwindigkeit zwischen dem Gegenstand und dessen Umgebung ist* Bei sehr geringen Geschwindigkeiten weisen die Signale daher niederfrequente Komponenten auf„ Ist die Frequenzgrenze der zur Vergleichssehaltung gehörenden Tiefpassfilter zu noch (Zeitkonstante zu klein), so beeinflussen die niederfrequenten Komponenten der Signale das Steuersignal direkt, so dass die Messung so stark gestört werden kann, dass das Steuersignal sich kurzzeit zu weit vom korrekten Wert entfernt, wobei die Vergleichsschaltung nicht mehr imstande ist zu bestimmen, ob das Steuersignal eine zu hohe oder eine zu niedrige Geschwindigkeit anzeigt. Das Steuersignal wird daher unberechenbar. Ein Absenken der Frequenzgrenze (Vergrößern der Zeitkonstante) könnte andererseits dazu führen, dass die Einrichtung zu langsam wird und auf Geschwindigkeitsänderungen nicht mehr anspricht. Mit der Erfindung sollen diese genannten Mangel beseitigt werden„

Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung ist die

Fig„1 eine Übersicht über die Einrichtung nach der Erfindung,

Pig.2 eine andere Ausführung eines Teiles der Einrichtung nach der Fig.1,

Figo3 eine Spannung-Geschwindigkeit-Kennlinie für die Schaltung nach der Fig«2 und die

Fig.4 eine weitere andere Ausführung eines leiles der Einrichtung nach der Fig,1.

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Die Einrichtung nach der Flg.1 soll zum Messen der Geschwindigkeit von Eisenbahnzügen dienen, wird an der Zugmaschine angebracht und mißt die Geschwindigkeit ν in bezug auf die Schienen 10, die beispielsweise das Licht aus einer Lichtquelle reflektieren, die am Zug nahe an einer Schiene angebracht ist. Die an der Zugmaschine angebrachte Einrichtung weist auf zwei Abtastvorrichtungen 11 und 12, eine Vergleichsschaltung 14_t eine Verzögerungsschaltung χ _t eine Steuerschaltung F5-A/F, eine Einrichtung 16 zum Anzeigen der Geschwindigkeit ν des Zuges, sowie eine Einrichtung, die die vom Zug zurückgelegte Strecke S = Jv dt anzeigt.

Die Abtastvorrichtungen 11 und 12 sind in der Längsrich- * tung des Eisenbahnzuges in einer bestimmten Entfernung 1 von einander angeordnet und erzeugen ohne einen mechanischen Kontakt mit den Schienen zwei gleiche Signale, die entsprechend dem Abstand 1 und der Geschwindigkeit ν zeitlich gegeneinander versetzt sind und Rauschsignalen gleichen. Die von der Schiene aus erhaltenen Signale f(t) und f(t - 1/v) sind daher eine Funktion des Raumes (der Schiene) und damit eine Punktion der Zeit, wenn der Zug sich in bezug auf die Schienen bewegt. In der Vergleichsschaltung 14 werden die beiden Signale mit einander verglichen. Der eine Eingang der Vergleichsschaltung steht über die Verzögerüngsschaltung T mit der Abtastvorrichtung 11 in Verbindung, während der andere Eingang mit der Abtastvorrichtung 12 in Verbindung steht« Der Ausgang der Vergleichsschaltung ist mit der Steuerschaltung F5 - A/P verbunden.

Die Steuerschaltung P5-A/P weist eine Integrationsschaltung R _ Gj. - F_K auf mit einem mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 14 verbundenen Widerstand R5 und mit einem Kondensator Ct-, der zwischen den Ausgang einer Subtractionsschaltung und einen (negativen) Eingang geschaltet ist, an den auch der Widerstand R₁- angeschlossen ist«» Bei korrekter Messung der Zuggeschwindigkeit V ist die Ausgangsspannung Uj der Integrationsschaltung proportional der Geschwindigkeit v. Die Steuerschaltung weist ferner auf einen Analog-Frequenz-Konverter A/P, der an den Ausgang der Integrationsschaltung angeschlossen ist und die Ausgangs spannung Uj in ein Frequenzsignal fp umwandelt, dessen

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Frequenz daher ein Maß für die Zuggeschwindigkeit ν ist·

Die Verzögerungsschaltung X weist einen Steuereingang 15 auf, dem das Frequenzsignal fp als Steuersignal zugeführt wird und die Verzögerung χ so verändert, dass die Signale an den Eingängen der Vergleichsschaltung H im wesentlichen einander gleich sind·

Die Anzeigeeinrichtung 16 ist an den Verbindungspunkt zwisehen der Integrationsschaltung R₅ - O₅ - F₅ und dem Analog-Frequenz-Konverter a/F angeschlossen, an dessen Ausgang die Anzeigeeinrichtung 17 angeschlossen ist·

IP Die Einrichtung nach der Fig_e1 weist ferner auf eine Korrekturschaltung Fg-Dg- Rg mit einem Subtraktionskreis F6, mit einer Diode Dg und mit einem Widerstand Rg. Der, eine Eingang (.+ ) des Subtraktionskreises F6 steht mit dem Ausgang des Subtraktionskreises F5 in Verbindung, während der andere Eingang (-) mit einer unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung 12 - O^ - R, - h. — C, in Verbindung steht, wobei der Ausgang mit dem negativen Eingang des Subtraktionskreises F5 über die Diode Dg und den Widerstand Rg verbunden ist· Dem Subtraktionskreis F6 wird zum Teil die bereits genannte Spannung TJ₁ und zum Teil eine Spannung U aus der unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung zugeführt* Die Polarität der Eingänge der Schaltung F6 und die Durchlassrichtung der Diode

™ Dg werden so gewählt, dass bei einem Absinken der Spannung Uj unter die Spannung TJ der Ausgang der Schaltung F6 eine Polarität erhält, bei der die Diode D6 geöffnet wird und die Integrationsschaltung über den Widerstand Rg einen Eingangsstrom mit einer Polarität erhält, bei der die Spannung Uj ansteigt» Dies bedeutet, dass die Spannung U^ nicht unter die Spannung U absinken kann. Diese Spannung wird aus der vom Steuersignal unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung erhalten, deren Ausgangsspannung proportional der Geschwindigkeit mindestens innerhalb des begrenzten Geschwindigkeitsbereiches ist, in dem das ordnungsgemäße Funktionieren der gesamten Einrichtung unsicher ist. Der Proportionalitätsfaktor Spannung/Geschwindigkeit für die Spannung U ist etwas kleiner als der entsprechende

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Faktor für die Spannung ITj-, wobei erreicht wird, dass bei einem korrekten Wert der Spannung üj in bezug auf die tatsächliche Geschwindigkeit die Korrekturschaltung die Messung nicht beeinflußt.

Die vom Steuersignal unabhängige Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung nach der Fig«1 besteht aus der Abtastvorrichtung 12, einem Hochpassfilter (Cj₁ -Ej₁)* -dem einfachen R-C-Glied, einem Vollwellenglexchrichter h₁ und aus einem Tiefpassfilter R₁ - O-i· Bas Signal aus der Abtastvorrichtung 12 hat seinen Ursprung in der reflektierenden Fläche der Schiene* Da die Struktur der reflektierenden Fläche längs der Schiene ganzlieh zufällig verteilt ist, so erhält das Signal ein frequenz-Spektrum, dessen Grenze von den Merkmalen der Optik der Abtastvorrichtung und von d er Geschwindigkeit bestimmt wird» Die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bedeutet, dass der Verlauf der Frequenz nach oben proportional der Geschwindigkeit ist» Das Hochpassfilter Cj₁ - Rj₁ weist eine Übertragungsfunktion auf, die die Ausgangsamplitude bei konstanter Amplitude des Eingangssignals proportional der Frequenz macht bis zu einer Frequenzgrenze f_, oberhalb der diese ungefähr konstant bleibt. Dies bedeutet, dass die mittlere Amplitude an der Ausgangsseite des Hochpassfilters C^ - R, ungefähr proportional der Geschwindigkeit ist, solange die Geschwindigkeit so gering ist, dass keine Frequenzkomponente des Signals die Frequenzgrenze f überschreiteto Bei einer höheren Geschwindigkeit nähert sieh~ die mittlere Amplitude einem konstanten Wert an. Der Vollwellenglexchrichter h.j und das Tiefpassfilter R₁ - C₁ erzeugen die Spannung U , so dass diese proportional der mittleren Amplitude des Ausgangssignals des Hochpassfilters Cj₁ - Rj₁ wird, wobei die Spannung U proportional der Geschwindigkeit ν mindestens bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten wird.

Eine Umkehrung der Durchlassrichtung der Diode D6 in der Fig.1 bewirkt, dass die Spannung Uj näeh oben hin von der Spannung U am negativen Eingang des Subtraktionskreises F6 begrenzt wird. Die Schaltung arbeitet im übrigen in derselben Weise, wie bereits beschrieben.

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Die Figo2 zeigt eine Schaltung Ϊ7 -D₇-R₇ zum Begrenzen der Ausgangsspannung Uj der Integrationsschaltung nach oben zusammen mit einer Schaltung F6 - Dg - Rg zum Begrenzen der Spannung Uj nach unten. Eine dem Subtraktionskreis 1*7 der Schaltung F7 — D₇ - E₇ zugeführte Spannung U ₂ soll immer höher sein als die entsprechende Grenzspannung U .., die dem Subtraktionskreis ]?6 zugeführt wird. Werden beide Spannungen aus der vom »Steuersignal unabhängigen Gesehwindigkeitsermittlungseinrichtung abgeleitet, so wird U- = ^₂ * ^üv ^xmi ^Uy1 ^{= k}1 " ^Uv' ^wofcei kp größer als 1 und k. kleiner als 1 ist. U ist die Ausgangsspannung aus der vom Steuersignal unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung, die bei einer geringen Geschwindigkeit ungefähr die gleiche Proportionskonstante in bezug auf die Geschwindigkeit ν aufweisen soll wie die Ausgangsspannung U₁ der Integrationsschaltungβ Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, wird die Ausgangs spannung Uj der Int egrati ons schaltung von den Spannungen U „ und U . eingeschlossen und begrenzt. Dies bedeutet jedoch, dass bei Geschwindigkeiten, deren Frequenzkomponenten die Grenzfrequenz des Hochpassfilters f überschreiten, die Spannung Uj von der oberen Grenzspannung Up unter den korrekten Wert "heruntergedrückt" wird. Bei der Schaltung nach der Pig.2 wird dies verhindert durch einen Spannungsbegrenzungskreis R₁ - Z₁ mit einem Widerstand R₁ und mit einer Zener-Diode, die geerdet ist in der Verbindung zwischen dem Ausgang der Integrationsschaltung und dem positiven Eingang der Subtraktionsschaltung 1*7β Der Schaltungskreis R- - Z₁ verhindert ein Ansteigen der Spannung U.. über die Nennspannung der Zener-Diode

hinaus, so dass die Integrations schaltung von der Korrekturschaltung F7 - D₇ - R₇ unbeeinflusst bleibt, selbst wenn deren zweite Spannung U ~ bei höheren Geschwindigkeiten sich einem konstanten Wert annähert.

Die Figo 3 zeigt, in welcher V/eise die Aus gangs spannung Uj der Integrationsschaltung bei geringen Geschwindigkeiten von den Spannungen U- u^cl U ₁ eingeschlossen und begrenzt wird, wobei die Geschwindigkeit gemessen werden kann, bis der Zug sich nicht bewegt. Bei höheren Geschwindigkeiten erhöht sich die Differenz zwischen der korrekten Spannung Uj und der oberen

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bezw. der unteren Grenz spannung U₂ oder U *, und die Messung erfolgt nunmehr ohne Beeinflussung durch die Korrekturschaltung*

Die Fig»4 zeigt eine weitere andere Möglichkeit, die Steuerfrequenz f um einen Wert herum zu begrenzen, der von der vom Steuersignal unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung bestimmt wird· In diesem Falle ist die Spannung U aus der genannten Einrichtung proportional der Geschwindigkeit innerhalb des gesamten Messbereiches und wird dem Verbindungspunkt zwischen der Integrationsschaltung F5 - Ce - ^Rc und dem Analog-Frequenz-Konverter A/F derart zugeführt ₉ dass die Spannung zur Integrationsspannung TJj hinzuaddiert wird. Dies erfolgt mittels ^ einer Additions schaltung Rg - Rq, .deren Vfiderstand &_Q zwischen ^ die Subtraktionsschaltung F5 und den Analog-Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist, und deren Widerstand Rq zwischen die genannte Einrichtung und den Analog-Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist· Durch Begrenzen der Ausgangsspannung Uj der Integrationsschaltung auf einen gewissen Anteil von TJ , z.B. auf Uj = + 0,1 · U oder Uj = - O₈I · U wird' erreicht, dass das Steuersignal grob bestimmt wird von der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung und fein bestimmt wird von der Ausgangsspannung U₁ der Integrationsschaltung*

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen Schaltungen und Vorrichtungen beschränkt. Beispielsweise können die Abtast vorrichtungen ersetzt werden durch magneti- j| sehe Abtastvorrichtungen mit einer konstanten Auflösung inder Bewegungsrichtung· Durch geeignete Anordnung der erforderlichen elektronischen Schaltungselemente kann das erhaltene Spektrum proportional der Geschwindigkeit gemacht werden. Die vom Steuersignal unabhängige Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung kann aus einer gänzlich unabhängigen Messeinrichtung bestehen, z.B. aus einer mit den Rädern des Eisenbahnzuges in Verbindung stehenden Einrichtung, die eine der Geschwindigkeit entsprechende Spannung erzeugt.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Einrichtung zum Messen der relativen Bewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung mit einer entweder am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten Signalquelle (10) und mit zwei am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten «.btaetvorrichtungen (11,12), die in der Bewegungsrichtung einen bestimmten Abstand (l) von einander aufweisen und ohne mechanischen Kontakt mit der Signalquelle (10) zwei gleiche Signale erzeugen, die in Abhängigkeit vom abstand (l) zwischen den beiden .».btastvorrientungen (11,12) und von der relativen Geschwindigkeit (v) zeitlich versetzt sind, welche Signale (f(t) und f(t-i/v) ihren Ursprung in der Signalquelle haben und Rauschspannungen gleichen, und welche Signale mit einander in einer Vergleichsschaltung (H) mit einander verglichen werden, von der ein Eingang mit einer der Abtastvorrichtungen (12) und' der andere Eingang über eine Verzöge rungs schaltung (f) mit der anderen Abtastvorrichtung (11) in Verbindung steht, während ein Ausgang mit einer Steuerschaltung (?5 - a/F) verbunden ist, die ein Steuersignal (fp) erzeugt, das eines der Schaltungselemente (beispielsweise die Verzögerungsschaltung t ) so steuert, dass die Signale am Eingang der Vergleichsschaltung (14) im wesentlichen einander gleich werden, gekennzeichnet durch eine Korrekturschaltung (F6 - D₆ - H₆ in Fig. 1, 2| ?7 - M₇ - E₇ in Fig.2 und Rg - Rg in Fig„4), deren Eingangsseit® mit einer vom Steuersignal unabhängigen Greschwindigkeitsermittlungseinrichtimg (12 - 0_h - Rj₁ - 1I₁ - R₁ - C₁) in Verbindung steht* und deren Ausgangsseite mit der Steuerschaltung (I5 -» A/F) in Verbindung steht, welche Korrekturschaltung die Steuerschaltung (F5 - A/F) so beeinflusst, dass die Steuereigaale bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand nur sehr begrenzt veränderbar sind um den Wert herum, der der

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von der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung (12-C_n-R, - 1I₁ - Η* - C₁) angezeigten Geschwindigkeit entspricht»
2. Einrichtung nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Steuersignal unabhängige Gesehwindigkeitsermittlungseinrichtung eine Abtastvorrichtung (12) aufweist, die mit einer Frequenzanalysierungsschaltung (⁰J₁-⁵I₁-¹¹I - ^i - C₁) in Reihe geschaltet ist und eine Aus gangs spannung erzeugt, die mindestens bei unterhalb einer bestimmten, Grenzfrequenz liegenden Frequenzen proportional der Frequenz des Signals aus der Abtastvorrichtung (12) ist, wobei, wenn das Signal aus der Abtastvorrichtung (12) ein der ffeschwindigkeit entsprechendes FrequenzSpektrum aufweist, erreicht wird, dass die Ausgangsspannung der Frequenzanalysierungsschaltung ( C_n - R_n — h.. - R₁- C₁) im wesentlichen proportional der relativen Greschwindigkeit mindestens bei vergleichsweise geringen Geschwindigkeiten ist*
3» Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (F5 - A/f) eine Integrationsschaltung (R₅ - C₅ - F5) aufweist, deren Ausgangsspannung bei korrekter Messung der Greschwindigkeit der genannten Greschwindigkeit proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung einen Subtraktionskreis (z.B. F6 in Fig.1 und 2) aufweist, dessen einer Eingang (+) mit dem Ausgang der Integrationsschaltung (Rc - G,- - F5) verbunden ist, und dessen anderer Eingang (-) mit der vom Steuersignal unabhängigen Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung verbunden ist, während der Ausgang über einen Rückkopplungskreis (Dg-Rg) mit einem Gleichrichter (Dg) mit der Eingangsseite der Integrations schaltung (R₅-Ci₅-FS) in Verbindung steht, wobei die Ausgangsspannung der Integrationssohaltung (R₅-C₅-FS) in Abhängigkeit von der Durchlassrichtung des Gleichrichters (D) nach unten bezw. nach oben begrenzt wird von der Ausgangsspannung der Geschwindigkeitsermittlungseeinrichtung

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4· Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ausgangs spannung der Integrations schaltung (R,~-0,--F5) nach unten begrenzt wird von der Ausgangs spannung der Geschwixidigkeitsermittlungseinrichtung (12-G-^-R-^-h^-B.^-C^) ₉ dadurch gekennzeichnet, dass das von der Geschwindigkeitsenaittlungseinrichtung erzeugte Signal bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten proportional der Geschwindigkeit ist, sich jedoch einem konstanten Wert annähert bei Geschwindigkeiten, die eine vorherbestimmte Geschwindigkeit (eine Grenzgeschwindigkeit) übersteigen, wobei bei diese Grenzgeschwindigkeit übersteigenden Geschwindigkeiten die Spanne zwischen der Spannung der Integrationsschaltung bei korrekter Messung und der Eingangs spannung der Korrekturschaltung mit größer werdender Geschwindigkeit größer wird, während die Genauigkeit der Geschwihdigkeitsermittluiigseinrichtung bei geringeren Geschwindigkeiten größer wird·
5. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ausgangs spannung der Integrationsschaltung (Rc-öc-^5) nach oben begrenzt wird von der Ausgangs spannung der Ge-schwindigkeitsermittlungseinrichtung (i^-G^-R^-h.-R.-G^), dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsseite der Integrationssehaltung über eine Spannungsbegrenzungsschaltung (IL-Z..) mit der Subtraktionsschaltung (F? in Fig.2) in Verbindung steht, wobei die Beeinflussung der Eingangsspannung der Integrationsschaltung durch die Korrekturschaltung (I¹T-B₇-E₇) bei Geschwindigkeiten schwächer wird, die die Geschwindigkeit übersteigen, bei der die Aus gangs spannung der Integrationsschaltung eine so hohe Amplitude aufweist, dass die Spannungsbegrenzungsschaltung (R₁-Z₁) wirksam wird.

β Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung aus einer Integrationsschaltung (Rc-Gj--!^) und einem mit dieser in Reihe geschalteten Analog-Frequenz-Konverter (A/i¹) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung als Additions schal tung (R₈-Rq) an der Einagangsseite des Analog-Prequenz-Konverters (A/P) vorgesehen ist und die Ausgangs spannung der Integrationssehaltung

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mit einer der Geschwindigkeit ungefähr proportionalen Spannung aus der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung (12-C_n- -R-^h₁-R₁-C₁) addiert, wobei innerhalt des gesamten Messbereichs der Einrichtung das Steuersignal (fp)-grob beeinflusst wird von der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung und fein beeinflusst wird von der Int egrations schaltung
(R₅-C₅-P5).

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