DE1963000C3

DE1963000C3 - Vorrichtung zum Messen von Größen der relativen Bewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung

Info

Publication number: DE1963000C3
Application number: DE1963000A
Authority: DE
Inventors: Ingvar Taeby Andermo (Schweden)
Original assignee: INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK STOCKHOLM
Current assignee: INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK STOCKHOLM
Priority date: 1968-12-10
Filing date: 1969-12-08
Publication date: 1979-07-12
Also published as: FR2025826A1; DE1963000A1; GB1250089A; DE1963000B2; JPS5034952B1; US3689157A; CH503998A; SU515472A3; SE334254B

Description

dadurch gekennzeichnet, daß das von der Grschwindigkeitsmeßeinrichtung erzeugte Signal bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten proportional der Geschwindigkeit ist, sich jedoch einem konstanten Wert annähen bei Geschwindigkeiten, die eine Grenzgeschwindigkeit übersteigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (Rs— C₅- FS) nach oben begrenzt wird von der Ausgangsspannung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

(12-Ca-Aa-A₁-A₁-C₁),

dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsseite der Integrationsschaltung über eine Spannungsbegrenzungsschaltung (R₁-Z]) mit der Subtraktionsschaltung (Fl in F i g. 2) in Verbindung steht

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung aus einer Integrationsschaltung (Rs— Cs- FS) und einem mit dieser in Reihe geschalteten Analog-Frequenz-Konverter (A/F) besteht dadurch gekennzeichnet daß die Korrekturschaltung als Additionsschaltung (Rs-R₉) an der Eingangsseite des Analog-Frequenz-Konverters (AJF) vorgesehen ist und die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (R₅-Cs-FS) mit einer der Geschwindigkeit ungefähr proportionalen Spannung aus der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung

(12-Ca-Aa-A₁-A₁-C₁)

addiert

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Größen der Relativbewegung (Geschwindigkeit und zurückgelegter Weg) zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hierbei wird die der Umgebung eigentümliche Oberflächenstruktur mit Hilfe von zwei Vorrichtungen abgetastet, die ihrerseits in Bewegungsrichtung einen definierten bekannten Abstand voneinander haben. Auf diese Art wird jedes einzelne Muster der Oberflächenstruktur zweimal abgetastet, und zwar mit einem Zeitunterschied, der dem Abstand der beiden Abtastvorrichtungen direkt und der Relativgeschwindigkeit zwischen Gegenstand und Umgebung umgekehrt proportional ist Wird der Ausgang der zuerst abtastenden Vorrichtung mit einer einstellbaren Verzögerungsschaltung versehen und wird deren Verzögerungszeit so eingeregelt, daß sich deren Ausgang mit dem Ausgang der später abtastenden Vorrichtung deckt, so ist die eingestellte Verzögerungszeit unmittelbar ein Maß für die Relativgeschwindigkeit Eine derartige Korrelations-Meßeinrichtung ist z. B. in der GB-PSIl 18 504 offenbart

Zur einwandfreien Funktion einer solchen Meßeinrichtung darf sich die abgetastete Oberflächenstruktur

während der Laufzeit von einer zur anderen Abtastvorrichtung nicht verändern. Handelt es sich also um die Oberflache eines fluiden Mediums, so muß entweder die Relativgeschwindigkeit so groß oder der Abstand der Abtastvorrichtung so klein sein, daß während der Laufzeit keine Oberflächenveränderungen stattfinden. Kleine Relativgeschwindigkeiten führen indessen auch bei unveränderlichen Oberflächenstrukturen zu grundsätzlichen Schwierigkeiten, und zwar nicht nur, weil die Laufzeiten dann sehr groß werden, sondern weil vor allem die abgetasteten Signale sich nur sehr langsam ändern. Wie bereits erwähnt, muß die Koinzidenz zwischen abgetastetem und verzögert abgetastetem Signal festgestellt werden, und die hierzu erforderliche Vergleichsschaltung soll schnell ansprechen, um schnellen Änderungen der Relativgeschwindigkeit möglichst unverzögert folgen zu können. Ändern sich nun die abgetasteten Signale sehr langsam, so spricht die Vergleichsschaltung nicht mehr darauf an, ob sich die Signale in ihrer Form, beispielsweise als Dreieck decken, sondern bereits darauf, ob sich einzelne Augenbiickswerte der langsam veränderlichen Signale decken. Bei den in Rede stehenden Meßeinrichtungen gibt es also eine untere Grenze der Relativgeschwindigkeit, unter der die Meßeinrichtung versagt und ihre Anzeige mit großen Fehlern behaftet ist Dieser Nachteil macht sich beispielsweise besonders bei Schienenfahrzeugen bemerkbar, deren Geschwindigkeit durch Abtasten der Oberflächenstruktur einer Schiene gemessen werden soll und bei denen dann die Geschwindigkeitsmessung beim Anfahren aus dem Stand versagt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Meßbereich der in Rede stehenden Meßeinrichtungen unter Beibehaltung ihrer Ansprechgeschwindigkeit in Richtung sehr kleiner Relativgeschwindigkeiten zu erweitern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens an.

Die Erfindung trägt dabei dem Umstand Rechnung, daß bei kleinen Relativgeschwindigkeiten die Unsicherheit beim Messen von Relativbewegungen nach dem Korrelationsprinzip systembedingt ist und geht von der Überlegung aus, in diesem Bereich das Korrelationsprinzip mit einem anderen Meßverfahren zu kombinieren. Dadurch können Schaltungselemente für beide Meßverfahren gemeinsam benutzt werden und die Werte beider Meßverfahren können stetig und lückenlos ineinander Obergehen. Die große Meßgenauigkeit des Korrelationsverfahrens bei größeren Relativgeschwindigkeiten wird dabei durch das andere Meßverfahren für kleine Relativgeschwindigkeiten nicht gestört

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert !n der Zeichnung ist die

F i g. 1 eine Übersicht über die gesamte Vorrichtung,

Fig.2 eine andere Ausführung eines Teiles der Vorrichtung nach der F i g. 1,

Fig.3 ein Spannungs-Geschwindigkeits-Diagramm für die Schaltung nach der F i g. 2 und die

Fig.4 eine weitere Ausführung eines Teiles der Vorrichtung nach der F i g. 1.

Die Vorrichtung nach der F i g. 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 zwei Abtastvorrichtungen 11 und 12 auf, eine Vergleichsschaltung 14, eine Verzögerungsschaltung τ, eine Steuerschaltung FS—A/F, eine Einrichtung 16 zum Anzeigen der Geschwindigkeit ν des Zuges sowie eine Einrichtung, die den vom Zug zurückgelegten Weg S= J ν dt anzeigt

Die Abtastvorrichtungen 11 und 12 sind in der Längsrichtung des Eisenbahnzuges in einer bestimmten Entfernung / voneinander angeordnet und erzeugen ohne einen mechanischen Kontakt mit den Schienen zwei gleiche Signale, die entsprechend dem Abstand / und der Geschwindigkeit ν zeitlich gegeneinander versetzt sind und Rauschsignalen gleichen. Die von der Schiene her erhaltenen Signale f[t) und f(t-\lv) sind daher eine Funktion der Entfernung (Abmessung der Schiene) und damit eine Funktion der Zeit wenn der Zug sich in bezug auf die Schienen bewegt In der Vergleichsschaltung 14 werden <"' ϊ beiden Signale miteinander verglichen. Der eine Eingang der Vergleichsschaltung steht über die Verzögerungsschaltung τ 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/Fverbunden.

Die Steuerschaltung FS—AJF weist eine Integrationsschaltung Äs— Q—Fs mit einem mit dem Ausgang der Vergleichsschaltung 14 verbundenen Widerstand RS und mit einem Kondensator Cs auf, der zwischen den Ausgang einer Subtraktionsschaltung FS und dessen (negativen) Eingang geschaltet ist, an den auch der Widerstand Äs angeschlossen ist Bei richtiger Messung der Zuggeschwindigkeit V ist die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung proportional der Geschwindigkeit v. Die Steuerschaltung weist ferner einen Analog-Frequenz-Konverter AJF, auf der an den Ausgang der Integrationsschaltung angeschlossen ist und die Ausgangsspannung Ui in ein Frequenzsignal fp umwandelt dessen Frequenz daher ein Maß für die Zu,jgesch windigkeit ν ist

Die Verzögerungsschaltung τ weist einen Steuereingang 15 auf, dem das Frequenzsignal fp als Steuersignal zugeführt wird und die Verzögerung τ so verändert, daß die Signale an den Eingängen der Vergleichsschaltung 14 im wesentlichen einander gleich sind.

Die Anzeigeeinrichtung 16 ist an den Verbindungspunkt zwischen der Integrationsschaltung Rs—Cs-Fs

so und dem Analog-Frequenz-Konverter A/Fangeschlossen, an dessen Ausgang die Anzeigeeinrichtung 17 angeschlossen ist

Die Einrichtung nach der F i g. 1 weist ferner eine Korrekturschaltung Fe-A-ZZs auf mit einem Subtraktionskreis F₆, mit einer Diode A und mit einem Widerstand Rs. Dc: eine Eingang ( + ) des Subtraktionskreises F6 steht mit dem Ausgang des Subtraktionskrei ■ ses F5 in Verbindung, während der andere Eingang (—) mit einer unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrich tung

i2-a-Ä_A-A₁-C₁

in Verbindung steht Der Ausgang von f'6 ist mit dem negativen Eingang des Subtraktionskreises FS über die Diode A und den Widerstand Rf, verbunden. Dem Subtraktionskreis f 6 wird zum Teil die bereits genannte Spannung Ui und zum Teil eine Spannung U_y aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

zugeführt. Die Polarität der Eingänge der Schaltung Fb und die Durchlaßrichtung der Diode D₆ werden so gewählt, daß bei einem Absinken der Spannung Ui unter die Spannung U, der Ausgang der Schaltung FS eine Polarität erhält, bei der die Diode D 6 geöffnet wird und die Integrationsschaltung über den Widerstand R₆ einen Eingangsstrom mit einer Polarität erhält, bei der die Spannung Ui ansteigt Dies bedeutet, daß die Spannung Ui nicht unter die Spannung U, absinken kann. Diese Spannung wird aus der unabhängigen GeschwindigkeitsmeOeiidichtung erhalten, deren Ausgangsspannung proportion!!! 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 Faktor für die Spannung (Λ wobei erreicht wird, daß bei einem korrekten Wert der Spannung Ui in bezug auf die tatsächliche Geschwindigkeit die Korrekturschaltung die Messung nicht beeinflußt

Die unabhängige Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach der Fig. 1 besteht aus der Abtastvorrichtung 12, einem Hochpaßfilter (Ch-Rb, einem einfachen RC-Glied), einem Vollweggleichrichter hi und aus einem Tiefpaßfilter R\ — G. Das Signal aus der Abtastvorrichtung 12 hat seinen Ursprung in der reflektierenden Fläche der Schiene. Da die Struktur der reflektierenden Fläche läng;: der Schiene gänzlich zufällig verteilt ist, so enthält das Signal ein Frequenzspektrum, dessen Grenze von den Merkmalen der Optik der Abtastvorrichtung und von der Geschwindigkeit bestimmt wird. Die Abhängigkeit von der Geschwindigkeit bedeutet, daß der Verlauf der Frequenz nach oben proportional der Geschwindigkeit ist Das Hochpaßfilter Ch-Rh weist eine Übertragungsfunktion auf, die die Ausgangsamplitude bei konstanter Amplitude des Eingangssignals proportional der Frequenz macht bis zu einer Frequenzgrenze fg, oberhalb der diese ungefähr konstant bleibt Dies bedeutet daß die mittlere Amplitude am der Ausgangsseite des Hochpaßfilters Ch- Rh ungefähr proportional der Geschwindigkeit ist solange die Geschwindigkeit so gering ist daß keine Frequenzkomponente des Signals die Frequenzgrenze fg überschreitet Bei einer höheren Geschwindigkeit nähen sich die mittlere Amplitude einem konstanten Wert Der Vollweggleichrichter Λ; und das Tiefpaßfilter Λ, — Ci erzeugen die Spannung Uy, so daß diese proportional der mittleren Amplitude des Ausgangssignals des Hochpaßfilters Ch-Rh wird, wobei die Spannung U_y proportional der Geschwindigkeit ν mindestens bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten wird.

Eine Umkehrung der Durchlaßrichtung der Diode Z? 6 in der F i g. 1 bewirkt daß die Spannung Ui nach oben hin von der Spannung U_x am negativen Eingang des Subtraktionskreises. F% begrenzt wird. Die Schaltung arbeitet im übrigen in derselben Weise, wie bereits beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt eine Schaltung F7—Dj-Rt zum Begrenzen der Ausgangsspannung Uj der Integrationsschaltung nach oben zusammen mit einer Schaltung F6— ft— Ri zum Begrenzen der Spannung U/ nach unten. Eine dem Subtraktionskreis Fl der Schaltung FT—Di-Ri zugeführte Spannung U₁₂ so!! immer höher sein als die entsprechende Grenzspannung U_y\, die dem Subtraktionskreis F6 zugeführt wird Werden beide Spannungen aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung abgeleitet so wird

Uy₂ = Ic₂ i/,und(y,i = *, · Uy,

wobei k₂ größer als 1 und Ai kleiner als 1 ist. U_y ist die Ausgangsspnnnung aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung die bei einer geringen Geschwindigkeit ungefähr den gleichen Proportionalitätsfaktor in bezug auf die Geschwindigkeit ν aufweisen soll wie die Ausgangsspannung U\ der Integrationsschaltung. Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, wird die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschalluug von den Spannungen U,ι und U_r\ eingeschlossen und begrenzt. Dies bedeutet jedoch, daß bei Geschwindigkeiten, deren Frequenzkomponenten die Grcnzfr·*- quenz des Hochpaßfilters f_f überschreiten, die Spannung Ui von der oberen Grenzspannung U_y2 unter den korrekten Wert »heruntergedrückt« wird. Bei der Schaltung nach der Fig.2 wird dies verhindert durch einen Spannungsbegrenzungskreis Ki-Zi mit einem

in Widerstand R\ und mit einer Zener-Diode, die geerdet ist, in der Verbindung zwischen dem Ausgang der Integrationsschaltung und dem positiven Eingang der Subtraktionsschaltung FT. Der Schaltungskreis R\ — Z\ verhindert ein Ansteigen der Spannung U\ über die

r> Nennspannung der Zener-Diode hinaus, so daß die Integrationsschaltung von der Korrekturschaltung Fl-Di-R-i unbeeinflußt bleibt selbst wenn deren zweite Spannung U_y2 bei höheren Geschwindigkeiten sich einem konstanten Wert annähert

ίο Die F i g. 3 zeigt in welcher Weise die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung bei geringen Geschwindigkeiten von den Spannungen U_y2 und U_y\ eingeschlossen und begrenzt wird, wobei die Geschwindigkeit gemessen werden kann, bis der Zug sich nicht

;-> mehr bewegt. Bei höheren Geschwindigkeiten erhöht sich die Differenz zwischen der korrekten Spannung Ui und der oberen bzw. der unteren Grenzspannung U_y2 oder Uyu und die Messung erfolgt nunmehr ohne Beeinflussung durch die Korrekturschaltung.

■>(· Die Fig.4 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Steuerfrequenz f_p um einen Wert herum zu begrenzen, der von der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung bestimmt wird. In diesem Falle ist die Spannung U_y aus der genannten Einrichtung proportio-

·») nal der Geschwindigkeit innerhalb des gesamten Meßbereiches und wird dem Verbindungspunkt zwischen der Integrationsschaltung FS—Q,— R* und dem Analog-Frequenz-Konverter A/Fderart zugeführt, daß die Spannung zur Integrationsspannung U/ hinzuaddiert

~>o wird. Dies erfolgt minels einer Additionsschaltung Ra-R9, deren Widerstand R* zwischen die Subtraktionsschaltung F5 und den Analog-Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist, und deren Widerstand R₉ zwischen die genannte Einrichtung und den Analog-

■V) Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist Durch Begrenzen der Ausgangsspannung U/ der Integrationsschaltung auf einen gewissen Anteil von Uy, z. B. auf

0,1 · U_y

t//=+0,l ·

wird erreicht daß das Steuersignal grob bestimmt wird von der Geschw'ndigkeitsmeßeinrichtng und fein bestimmt wird von der Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung.

Als Abwandlungen können die lichtelektrischen Abtastvorrichtungen ersetzt werden durch magnetische Abtastvorrichtungen mit einer konstanten Auflösung in der Bewegungsrichtung. Auch in diesem Fall ist das erhaltene Spektrum proportional der Geschwindigkeit.

Die unabhängige Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung kann auch aus einer gänzlich unabhängigen Meßeinrichtung bestehen, z. B. aus einer mit den Rädern des Eisenbahnzuges in Verbindung stehenden Einrichtung, die eine der Geschwindigkeit entsprechende kritische Spannung erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Größen der Relativbewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung mit einer entweder am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten SignalqueUe und mit zwei am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten Abtastvorrichtungen, die in der Bewegungsrichtung einen bestimmten to Abstand voneinander aufweisen und ohne mechanischen Kontakt mit der SignalqueUe zwei gleiche Signale erzeugen, die in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den beiden Abtastvorrichtungen und von der relativen Geschwindigkeit (v) zeitlich versetzt sind, welche Signale f(t) und f(t— l/v) Rauschspannungen gleichen, und in einer Vergleichsschaltung miteinander verglichen werden, von der ein Eingang mit einer der Abtastvorrichtungen und der andere Eingang Ober eine Verzögerungsschaltung mit der anderen Abtastvorrichtung in Verbindung steht, während ein Ausgang mit einer Steuerschaltung verbunden ist, die ein Steuersignal erzeugt, das eines der Schaltungselemente so steuert, daß die Signale am Eingang der Vergleichsschaltung im wesentlichen einander gleich werden, gekennzeichnet durch eine Korrekturschaltung (FB-D₆-R₆ in Fig. 1, 2; Fl-D₁-R₁ in Fig.2 und Rs-Ri in F i g. 4), deren Eingangsseite mit einer unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

in Verbindung steht, und dem Ausgangsseite mit der Steuerschaltung (F5—AJF)'m Verbindung steht, welche Korrekturschaltung d'? Steuerschaltung (F5—A/F) so beeinflußt, daß die Steuersignale bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand nur sehr begrenzt veränderbar sind um den Wert herum, der der von der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

(12-Ca-Aa-Ai-Ai-C₁)

ermittelten Geschwindigkeit entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängige Geschwindigkeitsmeßeinrichtung eine Abtastvorrichtung (12) aufweist, die mit einer Frequenzanalysierungsschaltung

in Reihe geschaltet ist und eine Ausgangsspannung se erzeugt, die mindestens bei unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz liegenden Frequenzen proportional der Frequenz des Signals aus der Abtastvorrichtung (12) ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung (F5— AJF) eine Integrationsschaltung (R·,— Cj-FS) aufweist deren Ausgangsspannung bei korrekter Messung der Geschwindigkeit der genannten Geschwindigkeit proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschal-Hing einen Subtraktionskreis (F6 in F i g. 1 und 2) aufweist, dessen einer Eingang (+) mit dem Ausgang der Integrationsschaltung (R₅- Cs-FS) verbunden ist, und dessen anderer Eingang ( —) mit der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung verbunden ist, während der Ausgang über eine Rückführung (D₆-R₆) mit einem Gleichrichter (D₆) mit der Eingangsseite der Integrationsschaltung (Rs- C₅-FS) in Verbindung steht

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (Rs— C₅- FS) nach unten begrenzt wird von der Ausgangsspannung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung