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Meßwertwandler Die Erfindung betrifft einen Meßwertwandler, vorzugsweise
für die Messung von Drehzahlen und Geschwindigkeiten in Kraftfahrzeugen, dem der
Meßwert in lorin von Impulsen zuges fiihrt wird und dar einerseits Mittel umfaßt,
die aus den geberseitig kerseugten Impulsen solche mit konstanter Ladungamenge formen,
andererseits Mittel aufweist, die aus den Impulsen konstanter Ladungsmenge den Mittelwert
bilden.
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Zur Messung von Drehzahlen und Geschwindigkeiten in Kraftfahrzeugen
sind auch heute noch auf dem Wirbelstromprinzip beruhende Meßsysteme üblich, die
sich bekannterweise durch Robustheit und Einfachheit sowie durch eine mit geringen
Kosten belastete Herstellung auszeichnen. Der HauptnachteiP, der diesen Meßsystemen
anhaftet ist neben der nichtlinearen Drehzahl-Drehwinkel-Charakteristik das erforderliche
hohe Antriebsdrehmoment. Aus diesem Grunde ist es auch erforderlich, die Meßgeräte
wie beispielsweise Tachometer oder Fahrtschreiber Aber eine mechanische Verbindung
beispielsweise eine biegsame Welle oder Gelenkwelle anzutreiben. Um die bekannten
Schwierigkeiten dieser Übertragungselemente wie Schwergängigkeit und Bruch bei tiefen
Temperaturen sowie Neigung zu Torsionsschwingungen infolge der meist unvermeidlichen
einbaukrümmungen u umgehen, ist auch schon besondere als Antrieb von Fahrtschreibern
vorgeschlagen worden, die zu messende Drehsahl elektrisch zu tibertragen und durch
einen Elektromotor, der unmittelbar an dem Meßgerät angeflanscht sein kann, nachzubilden.
Die Löaung
erfordert ober, @bgeschen von den technischen Aufwand,
einen hohen und im Kraftfahrzung nicht vortrotbaren Energiebedarf.
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Der obenfalle @@@@fach @@@@enchlagung Lösungsweg, nämlich einer elektrischen
Übert@@gung des @@@wertes auch eine elektrische Meßschaltung @unger@@en, fähat bei
den rauhen Betriebs bedingungen in einem Kraf@fahrzeug, wobei neben fahrbahnbedingten
Erschütterungen und St@@@@, Spannungsschwankungen der Fahrzeugbatterie bie zu 40%
der Nennspannung und Temperaturschwankungen zwischen -30° und +70 X, auftreten können,
zwangsläufig insbesondere dann zum Kompensationsmeßverfahren und Nachlaufsystemen,
wenn der Meßwert nicht nur angeteigt sondern auch aufgezeichnet werden soll.
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Aus verschiedenen Gründen, letzten Endes aber deshalb, weil in einem
Fahrzeug ohnehin Gleichspannung zur Verfügung steht und eine große Regelgenauigkeit
nur mit einem Gleichspannungskompensator erzielbar ist, ist es erforderlich den
Meßwert ebenfalls in Form einer Gleichspannung am Eingang des Kompensatore zur Verfügung
zu stellen. Dieselbe Forderung besteht natürlich auch bei reinen Anseigegeräten,
die beispielsweise mit einem Drehspulmeßwerk ausgestattet sind.
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Die Übertragung des Meßwertes vom Geber zum Meßgerät erfolgt Jedoch
am zweckmäßigsten mittels Impulsen, wodurch einerseits ein relativ geringer Aufwand
auf der Geberseite andererseits eine geringe Störanfälligkeit erzielt wird. Dadurch
wird aber eine Zwischenschaltung erforderlich, die die drehsahlproportionale Frequenz
in eine entsprechende Gleichspannung umformt.
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Derartige Schaltungen zur Meßwertwandlung sind bekannt. Sie beinhalten,wie
beispielsweise die deutsche Patentschrift 895 625 seigt,im wesentlichen eine monostabile
Kippstufe, die aus den vom Geber gelieferten Impulsen solche mit konstanter Strom-Zeit-Pläche
liefert Die eigentliche Mittelwertbildung aus der übertragenen Neßwertfrequenz wird
dabei durch die Trägheit des angeschlossenen Meßgerätes erzielt.
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Zur Nittelwertbildung ist auch die Anwend von Kondensatoren bekannt,
wobei die Wandlerschaltung aus jedem anke enden Impuls einen Impuls konstanter Ladungsmenge
formt, der den Speicherkondensator auf- oder entlädt. Nachteilig ist bei den bekannten
Wandlerschaltungen abgeschen davon, daß sie als Röhrenschaltungen infolge ihrer
Empfindlichkeit und ihrer begrenzten Lebensdauer niht in einem Fahrzeug eingesetzt
werden können, die Rückwirkung des ladezustandes des Speicherkondensators auf die
Mittel nur Formung der Konstantladungsimpulse.
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Dadurch ist aber die Linearität der aus der übertragenen Faaquens
gewonnenen Spannung nicht mehr gewährleistet. Dies wirkt sich nicht nur nachteilig
auf den nachgeschalteten tompensator aus, indem dieser ein besonderes Regelvermögen
aufweisen muß, sondern ergibt eine nichtlineare Anzeige, die abgesehen von ästhetischen
Gründen für ein in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Gebrauchsgerät nach Möglichkeit
vermieden werden sollte.
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Das Ziel der Erfindung ist ee daher, einen Meßwertwandler zu schaffen,
der eine streng lineare Wandlung einer drehzahlproportionalen Frequenz in eine drehßahlproportionale
Gleichspannung bewirkt.
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Die Lösung dieser Aufgabe sieht vor, daß ein Vorwiderstand mit einer
Parallelschaltung aus wenigstens einem als mittelwertbildender Speicher dienender
Kondensator und einer mittels Konstantspannungsimpulse steuerbare Konstant stromquelle
in Reihe geschaltet ist.
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Im folgenden sei die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert.
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Dabei seigt Fig. 1 : verschiedene Oszillogramme Fig. 2 : den gesamten
Meßwertwandler Fig. 3 : den erfindungsgemäßen Schaltungsteil
Die
am Eingang A des Wandlers ankommenden Impulse können beispielsweise wie Fig. 1A
seigt,Sinushalbwellen sein, die in der fmpulsformstufe gebildet aus den Widerständen
1,2,3 sowie dem Transistor 4 geformt werden und am.Punkt B den Potentialverlauf
gemäß Fig. 1B liefern. Die negativen Flanken der Rechteckimpulse an B werden über
den Kondensator 5 auf den Punkt C übertragen, womit das Potential an der Basis des
Transistors 6 abfällt und der Transistor 6 gesperrt wird.
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Die Diode 7 dient dabei als Spannungsschutz für die Basis-Emitter-Strecke,
während der Widerstand 8 ein einwandfreies Sperren des Transistors 6 gewährleistet.
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Das Oseillogramm Fig. 1C zeigt wie der gondensator 5 über den Widerstand
9 nach der Absenkung des Potentials an C wieder aufgeladen wird. Die Aufladung erfolgt
so lange, bis die Schwellspannung der Diode 7 und der hasis-Emitter-Diode des Transistors
6 erreicht ist und der Transistor 6 wieder leitend wird. Dadurch fällt das Potential'
an Punkt D wieder auf null Volt ab, d.h. die Breite des konstanten Spannungsimpulses
wird durch das aus dem Kondensator 5 und.dem Widerstand 9 gebildete Zeitglied bestimmt.
Die Höhe dieser Impulse mit konstanter Spannung-Zeit-Fläche wird vorgegeben durch
das Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 10,11 und 12 sowie der Diode 13, wobei
der Widerstand 11 und die Diode 13 im wesentlichen der Teaperaturkompensation des
Transistors 14 dienen. Die Höhe der lonstant spannungs impulse bestimmt ihrerseits
die Aussteuerungegrenze der Ausgangsgleichspannung am Punkt E, die nicht unter diese
Spannung sinken kann.
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Der Strom, der sich durch die positive Flanke des Rechteckimpulse
(Fig.18) einstellt, wird Itber die Diode 7 und die Basis-Eritter"Strecke des Transistors
6 niederohmig abgeleitet, ohne eine Schaltfunktion auszulösen.
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Selbstverständlich ist der bisher besprochene Schaltungsteil nur Erzeugung
konstanter Spannungsimpulse nur bis zu der Grenzfrequenz brauchbar, bei der die
positive Flanke der geformten Rechteckimpulse (Fig. 1B) zeitlich mit der negativen
Flanke
des Konstantspannungsimpulses zusammenfällt. Es ist demnach für ein einwandfreies
Funktionieren der Schaltung erforderlich, daß der Transistor 4 länger leitend ist,
als der Transistor 6 gesperrt ist.
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Die Konstantspannungsimpulse am Punkt D öffnen Jeweils den Transistor
14,dessen Kollektorstrom in dem gewählten Betriebszustand unabhängig ist von der
Spannung am Punkt E,d.h.
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lediglich von der am Punkt F herrschenden Spannung bestimmt wird.
Diese Spannung berechnet sich aus der Differens der Steuerspannung UD und dem 3asis-Emitter-Spannungsabfall
UBE des transistors 14. Der Transistor 14 sowie dessen Emitterwiderstände 15 und
16 bilden demnach eine Konstantstromquelle 17 die die Konetantspannungsimpulse am
Punkt D in Konstantstromimpulse am Punkt E umformt, Die Mittelwertbildung aus diesen
Impulsen erfolgt durch die Widerstände 18, 19 und 20 sowie dem Kondensator 21. Dabei
wird die maximale Aufladung des Kondensators 21 durch das Spannungsteilerverhältnie
der Widerstände 18, 19 und 20 vorgegeben, wobei der Kondensator 21 ebenso wie die
Konstantstromquelle 17 dem einen Zweig 19, 20 des Spannungsteilers geschaltet ist.
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Der zuletzt beschriebene Schaltungsteil der am Kollektor des Transistors
14 und damit am Ausgang des erfindungsgemäßen Meßwertwandlers eine Spannung liefert,
die proportional der Eingangeimpulse ist, sei im folgenden anhand der Figur 3 durch
einen rechnerischen Beweis näher erläutert.
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Dabei gilt als Auagangebedingung bei der während einer Periode die
zufließenden und die abfließenden Ladungen am Punkt E im Gleichgewicht sind und
die Auagangßgleichapannung UA keine änderung zeigt: i0 .To+12.T 5 i1.T
Dabei
bedeuten: To = konst. Dauer des Stromimpulses T = veränderliche Periodendauer der
Impulse io = konstant # f (UA) Außerdem werden in die Ausgangegleichtung eingeführt;
Durch Einsetzen dieser Ausdrücke in die Ausgangegleichung erhält man:
Daraus ergibt sich:
UA = k.UB-k.R1.To.io.f Diese Formel meigt, daß die Ausgangsgleichspannung UA des
Wandler direkt proportional der Frequenz der Stromimpulse je und demnach direkt
proportional der drchzahl- bzw. geschwindigkeiteproportionalen Meßfrequens ist.
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Der oben angeführte Faktor k wird,obgleich er auch in die Steilheit
der Wandlerkennlinie eingeht, zur Bullpuikteinstellung mittels des Potentiometers
R3 (20) verwendet. Die Steilheitseinstellung erfolgt im Grobbereich durch Verändern
des Kondensators 5 bzw. des Widerstandes 9 während die Feineinstellung und damit
der Ausgleich von Toleranzen durch das in der Emitterableitung des Transistors 14
befindliche Potentiometer 16 erfolgt.
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Die unvermeidliche Restfälligkeit der Ausgangsspannung läßt sich beispielsweise
durch ein weiteres Zeitglied 22, 23 noch weiter verringern. Dadurch wird auch die
Zeitkonstante vergrößert, was den Regelkreis eines angeschlossenen Kompensators
vor höher frequenten Störungen schutt.