DE2123401C3 - Measuring device for the determination of movement quantities on ships - Google Patents
Measuring device for the determination of movement quantities on shipsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Meßgerät für die Ermitt- 45 werden, ohne daß die Genauigkeit der gemessenen lung von Bewegungsgrößen an Schiffen, insbesondere Größen darunter leidet.The invention relates to a measuring device for the determination 45 without impairing the accuracy of the measured Development of movement sizes on ships, especially sizes, suffers from it.
Segelbooten, mit einem strömungsgetriebenen, induk- Bevorzugt wird es, wenn die Impulse des Impuls-Sailing boats with a flow-driven, induction- It is preferred if the impulses of the impulse
tiven Impulsgeber, dessen Signale in einer Schaltung gebers mit Schwingkreis durch eine Schmitt-Triggerin eine drehzahlproportionale Gleichspannung um- Schaltung und eine Monoflop-Schaltung so zu einer geformt und einem Anzeigeinstrument zugeführt wer- 50 nichtpulsierenden Gleichspannung umgewandelt werden, den, daß deren Amplitude eine von der Drehzahl des Insbesondere sollen mit dem Gerät nach der Er- Impulsgebers abhängige Bezugsgröße liefert, indem findung die Geschwindigkeit und gegebenenfalls die die Impulse zur Mittelwertbildung einer Siebkette Beschleunigung sowie die zurückgelegte Fahristrecke zugeleitet werden. Durch Differenzieren des Mitteleines Schiffes gemessen werden können. 53 Wertgleichstroms und Verstärken wird somit ein Maß Zur Ermittlung der vorgenannten drei Größen ge- für die Beschleunigung gewonnen. Durch Integrieren nügt die Messung einer Größe, da die anderen beiden dieser Spannung wird ein Maß für die zurückgelegte Größen durch Integration oder Differentation aus der Wegstrecke gewonnen.tive pulse generator, the signals of which in a circuit with a resonant circuit through a Schmitt trigger a speed-proportional DC voltage circuit and a monoflop circuit to one shaped and fed to a display instrument 50 non-pulsating DC voltage can be converted, that the amplitude of which supplies a reference variable that is dependent on the speed of the particular should with the device according to the pulse generator by Finding the speed and, if necessary, the impulses for averaging a sieve chain Acceleration as well as the distance covered are forwarded. By differentiating the mean one Ship can be measured. 53 DC value and amplification thus become a measure To determine the aforementioned three variables, the acceleration is obtained. By integrating the measurement of one quantity is sufficient, since the other two of this voltage becomes a measure of the traveled Quantities obtained from the distance by integration or differentiation.
Meßgröße gewonnen werden können. Mißt man z. B. Es wird bevorzugt, wenn die Schmitt-Trigger- undMeasured variable can be obtained. If you measure z. B. It is preferred if the Schmitt trigger and
die Fahrgeschwindigkeit v, so gelten die mathemati- 60 Monoflop-Schaltung in einer integrierten Schaltung sehen Beziehungen (mit s— Weg, b — Beschleunigung vereinigt sind. Dadurch wird eine einfache und leichte und / = Zeit): Unterbringung in dem Gerät ermöglicht.the driving speed v, then the mathematical relationships apply (with s - path, b - acceleration are combined. This enables simple and easy and / = time): accommodation in the device.
jv Um ein Maß für die Beschleunigung zu erhalten, j v To get a measure of the acceleration,
j = Γν·Λ und b = — kann dem Differenzierglied ein Spannungsverstärkerj = Γν · Λ and b = - k ann d em differentiating element a voltage amplifier
65 für positive und negative Spannungsanteile nach-65 for positive and negative voltage components
Ein Meßgerät mit den eingangs genannten Merk- geschaltet sein. Die Signale werden also beidseitig malen ist durch die britische Patentschrift 758 775 verstärkt, damit eine definierte Mittellage gewährbekanntgeworden. Dort wird über einen Zweiweg- leistet ist. Das Maß für die Beschleunigung wird dannA measuring device with the characteristics mentioned at the beginning should be connected. So the signals are bilateral painting is reinforced by the British patent specification 758 775, so that a defined central position has become known. There is a two-way service. The measure for the acceleration is then
mit Hilfe des Differenziergliedes mit nachgeschaltetem Verstärker erhalten.with the help of the differentiator with a downstream Amplifier received.
Es dient ebenfalls der aqgjsstrebten Meßgenauigkeit, wenn als induktiver Geber eine Schraube mit ein oder mehreren am Umfang angeordneten Metallteilen dient, die die Ansprechzone eines Induktivgebers durchlaufen. Bei einer durch die Fahrgeschwindigkeit des Schiffes hervorgerufenen Drehung der Schraube durchlaufen also die Metallteile die Ansprechzone des Induktivgebers, dessen Magnetfeld dadurch gestört wird. Dadurch werden Impulse hervorgerufen, die auf die angegebene Art weiterverarbeitet werden.It is also used for the required measurement accuracy, if a screw with one or more metal parts arranged on the circumference is used as an inductive transmitter which pass through the response zone of an inductive sensor. At one by the driving speed Due to the rotation of the screw caused by the ship, the metal parts pass through the response zone of the inductive sensor, whose magnetic field is disturbed as a result. This creates impulses which are further processed in the specified way.
Die Earuudung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the following, the statement will be given on the basis of one of the following Embodiment explained in more detail.
Es zeigtIt shows
Fig. 1 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils eines Meßgeräts nach der Erfindung,Fig. 1 is a block diagram of the electrical part a measuring device according to the invention,
F i g. 2 ein Schaltungsschema des dabei verwendeten Impulsgeber,F i g. 2 a circuit diagram of the pulse generator used,
F i g. 3 ein Schema der Schaltung für die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsanzeige,F i g. 3 a schematic of the circuit for the speed and acceleration display,
Fig. 4 ein Schema der Schaltung für die Fahrtstreckenanzeige. 4 shows a diagram of the circuit for the route display.
Wie sich aus der F i g. 1 ergibt, arbeitet die Erfindung nach dem Prinzip, daß ein induktiver Geber 1 eine von der Fahrtgeschwindigkeit abhängte Impulsfolge liefert, die in der Schaltungsanordnung 2 zu Einheitsimpulsen umgeformt wird. Mittels Siebketten erfolgt dann in einer Schaltungsgruppe 3 eine Mittelwertbildung, die zu einer Gleichspannung führt, deren Amplitude der Fahrtgeschwindigkeit proportional ist. Diese Gleichspannung dient zur Steuerung eines Gleichspannungs-oderGleichstrom-Meßinstiüü;cnts4 mit einer in Knoten geeichten Anzeigeskala. Die Spannung wird zugleich einem Differenzverstärker 5 und einem Integrator 6 zugeführt. Die in diesen Schaltungseinheiten S, 6 erzeugten Spannungen dienen zur Aussteuerung eines Geräts 7 /ur Beschleunigungsanzeige bzw. eines Geräts 8 zur Meilenzählung. As can be seen from FIG. 1 results, the invention works on the principle that an inductive encoder 1 a pulse sequence dependent on the speed of travel supplies, which in the circuit arrangement 2 to Unit pulses is converted. A mean value is then calculated in circuit group 3 by means of sieve chains, which leads to a direct voltage, the amplitude of which is proportional to the speed of travel. This direct voltage is used to control a direct voltage or direct current measuring instrument; cnts4 with a display scale calibrated in knots. The voltage is at the same time a differential amplifier 5 and fed to an integrator 6. The voltages generated in these circuit units S, 6 are used for Control of a device 7 / ur acceleration display or a device 8 for counting miles.
F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild des Gebers. Die Induktivität L1 des elektrischen Schwingkreises ist ein offener Schalenkern, dessen Streufeldzone die Ansprechzone des Induktivgebers bildet. Im Normalzustand, d. h., wenn sich Metallteile der im Wasser befindlichen Schraube des Meßgeräts außerhalb der Streuzone befinden, schwingt die elektrische Schaltung mit einer Frequenz von ca. 2 MHz. Dringt das Metallteil in die Ansprechzone ein, :>o wird die Induktivität L1 durch das Metallteil so stark gedämpft, d. h., die Schwingkreisgüte wird so stark verschlechtert, daß die Schwingung abbricht. Dies ist mit einer Änderung der Stromaufnahme der Schwingschaltung verbunden, d. h., die Stromaufnahme wird um etwa den Faktor 5 kleiner.F i g. 2 shows the basic circuit diagram of the encoder. The inductance L1 of the electrical oscillating circuit is an open pot core, the stray field zone of which forms the response zone of the inductive transmitter. In the normal state, ie when metal parts of the screw of the measuring device in the water are outside the scattering zone, the electrical circuit oscillates at a frequency of approx. 2 MHz. If the metal part penetrates into the response zone :> o the inductance L1 is so strongly damped by the metal part, ie the quality of the resonant circuit is so severely impaired that the oscillation breaks off. This is associated with a change in the current consumption of the oscillating circuit, ie the current consumption is reduced by a factor of approximately 5.
Durch einen in der Stromzuführungsleitung der Schwingschaltung liegenden Widerstand R1 wird die Änderung der Stromaufnahme in Spannungsimpulse umgesetzt.The change in current consumption is converted into voltage pulses by a resistor R 1 located in the power supply line of the oscillating circuit.
Aus diesem Impulserzeugungsprinzip ergibt sich:This pulse generation principle results in:
a) Die Impulslänge ist abhängig von der Durchlaufzeit der Metallteile durch die Ansprechzone des Induktivgebers und damit drehzahlabhängig.a) The pulse length depends on the transit time of the metal parts through the response zone of the Inductive encoder and thus speed-dependent.
b) Die Impulsflankensteilheit ist drehzahlabhängig, so daß die Schwingung nicht ganz schlagartig abbricht.b) The pulse edge steepness is speed-dependent, so that the oscillation is not quite abrupt breaks off.
c) Die Impulshöhe ist abhängig von dem Medium, in dem sich der Induktivgeber befindet, ζ Β. sind
die magnetischen Eigenschaften eier Ansprechzone
bei Wasser anders als bei LufL
Hieraus ergibt sfcfa,„dag die erzeugten Impulse für
eine präzise Weiterverarbeitung einer Impulsformung unterzogen werden müssen.c) The pulse height depends on the medium in which the inductive sensor is located, ζ Β. The magnetic properties of a response zone are different with water than with LufL
From this results sfcfa, “that the generated pulses must be subjected to pulse shaping for precise further processing.
Die Impulsformung und die weitere Verwertung der Impulse ergibt sich aus dec Sehakungsskizze der Fig. 3, in der der Iaduktjvgeber der Fig. 2 mit JG gekennzeichnet ist, welcher mit einem Widerstand R1The pulse shaping and the further utilization of the pulses resulting from dec Sehakungsskizze of Fig. 3, in which the Iaduktjvgeber FIG. 2 is marked with JG, which is provided with a resistor R 1
ίο als Spannungsteiler am Eingang einer monostabilen Kippstufe ICl liegtίο is as a voltage divider at the input of a monostable multivibrator ICl
Die Impulsformung wird mit einem integrierten ΓΓί,-Schaltkreis durchgeführt. Dieser Schaltkreis ICl ist eine monostabile Kippstufe, deren Kippzeit durchThe pulse shaping is carried out with an integrated ΓΓί, circuit. This circuit ICl is a monostable multivibrator whose breakover time is through
eine externe R- und C-Beschaltung (R If, Cl) eingestellt wird. Er verfügt außerdem über eine Schmitt-Trigger-Eingangsstufe, wodurch weder die Flankensteilheit der Induktivgeberimpulse noch deren Iropulshöhe (über der Ansprechgrenze des Monoflops)an external R and C circuit (R If, Cl) is set. It also has a Schmitt trigger input stage, which means that neither the edge steepness of the inductive encoder pulses nor their pulse height (above the response limit of the monoflop)
»o für die weitere Impulsverarbeitung eine Rolle spielen. Am Ausgang des Monoflops stehen Impulse konstanter Länge und Höhe zur Verfügung, deren Anzahl pro Zeiteinheit der Schraubendrehzahl proportional ist.»O play a role in further impulse processing. At the output of the monoflop, pulses of constant length and height are available, their number per unit of time is proportional to the screw speed.
»5 Zur Mittelwertbildung befindet sich am Ausgang des Monoflops ein Siebglied (R 2, Cl), das mit den Ausgangsimpulsen des Monoflops eine Siebung und damit den zeitlichen Mittelteilwert der Impulsspannung bildet (Zeitkonstante relativ groß, etwa 1 Sekunde).»5 For averaging there is a filter element (R 2, Cl) at the output of the monoflop, which uses the output pulses of the monoflop to form a filter and thus the mean value of the pulse voltage over time (time constant relatively large, approx. 1 second).
Für die Geschwindigkeitsanzeige wird ein 50-μ-Ampere-Instrument /1 benutzt. Der Minus-Anschluß des Instruments liegt an einem Spannungsteiler (R 4 R 5), damit das Instrument bei stillstehenderA 50 μ-ampere instrument / 1 is used for the speed display. The minus connection of the instrument is connected to a voltage divider (R 4 R 5) so that the instrument is at a standstill
Schraube auf den Nullpunkt mittels Widerstand RS eingestellt werden kann, weil die Ausgangsspannung des Monoflops im Ruhezustand nicht gleich Null ist. Durch Betätigen des Umschalters U1 über die Widerstände R3, R9 besteht die Möglichkeit, zwischenScrew can be set to zero by means of a resistor RS , because the output voltage of the monoflop is not zero in the idle state. By pressing the switch U 1 through the resistors R 3, R9, there is the possibility between
zwei Geschwindigkeitsanzeigebereichen (0 bis 3 Knoten und 0 bis 12 Knoten) zu wählen.choose between two speed display ranges (0 to 3 knots and 0 to 12 knots).
Um ein Beschleunigungs-Verzögerungs-Signal zu erzeugen, muß das Geschwindigkeitssignal differenziert werden. Dazu wird ein integrierter Operations-In order to generate an acceleration-deceleration signal, the speed signal must be differentiated will. For this purpose, an integrated surgical
♦5 verstärker IC 2 benutzt. Nach der allgemeinen Operationsverstärker-Theorie wirkt dieser Verstärker differenzierend und gleichzeitig verstärkend, wenn vor den Eingang ein Kondensator C 3 und in den Gegenkoppeluncszweig ein Widerstand Rl geschaltet wird.♦ 5 amplifiers IC 2 used. According to the general operational amplifier theory, this amplifier has a differentiating and amplifying effect at the same time if a capacitor C 3 is connected in front of the input and a resistor R 1 is connected in the negative feedback branch.
Die Eingangswiderstände /7 6 und /MO dienen als Spannungsteiler. Um sowohl Beschleunigung als auch Verzögerung darstellen zu können, muß der zweite Eingang über einen Spannungsteiler R 11//? 13 mit einem Abgleichpotentiometer Λ12 und einem Vor-The input resistors / 7 6 and / MO serve as voltage dividers. In order to be able to represent both acceleration and deceleration, the second input must be via a voltage divider R 11 //? 13 with an adjustment potentiometer Λ12 and a pre-
widerstand Λ 8 an die halbe Betriebsspannung gelegt werden. Das Anzeigeinstrument/2, ein 50-(i-Ampere-Mittelinstrument, wird ebenfalls mit einem Anschluß und einem anderen Spannungsteiler/? 14//?15 mit der halben Betriebsspannung und mit dem anderen An-resistance Λ 8 placed at half the operating voltage will. The display instrument / 2, a 50- (i-ampere center instrument, is also with a connector and another voltage divider /? 14 //? 15 with the half the operating voltage and with the other
schluß an den Ausgang des Operationsverstärkers IC 2 gelegt. Damit dieser differenzierende Verstärker nicht für kleine bzw. kun: andauernde Beschleunigungen oder Verzögerungen zu empfindlich anspricht, ist er durch Einfügen des Kondensators C4 in den Gegen-connected to the output of the operational amplifier IC 2 . So that this differentiating amplifier does not respond too sensitively to small or short-term accelerations or decelerations, it is
koppelungszweig träger gemacht. Die Dioden D 3, D 4, Ό 5 dienen als Schutzdioden gegen Spannungsspitzen. Um einen zuverlässigen und präzisen Betrieb der elektrischen Schaltung zu gewährleisten, ist einecoupling branch made carrier. The diodes D 3, D 4, Ό 5 serve as protection diodes against voltage peaks. In order to ensure reliable and precise operation of the electrical circuit, one is
elektrische Stabilisierung der Versorgungsspannung kann in der Integrierstufe nur eine relativ kurze Wegnötig Integrierte Operationsverstärker benötigen eine strecke genau gespeichert werden. Im vorliegenden Spanriung von ca. 8>5 V. Durch die Zenerdiode Dl Fall wurde die Schaltung (s. Fi g. 4) so ausgelegt, daß und^den.Vorwiderstand K17.wird eine stabile Span- die maximal erreichbare Ausgangsspannung U„aax nung von ca. 9 V erzeugt. Diese! wird der Basis des 5 am Widerstand R 71 der zurückgelegten Distanz von Transistors 7J1; zugeführt,» der; als Serieriregler wirkt 0,1 Sm entspricht.electrical stabilization of the supply voltage can only be required for a relatively short distance in the integration stage. Integrated operational amplifiers need to be stored precisely over a distance. In the present voltage of approx. 8> 5 V. With the Zener diode Dl case, the circuit (see Fig. 4) was designed in such a way that the series resistor K17 creates a stable voltage - the maximum achievable output voltage U " aax voltage of approx. 9 V generated. These! becomes the base of 5 across resistor R 71 the distance traveled by transistor 7J1 ; fed, »the; acts as a series controller corresponds to 0.1 Sm.
und am Emittet eine konstante Spannung von etwa Beim Erreichen dieser Spannung trifft nun die der 8,S V abgibt, und zur Versorgung der Operations- Integrierstufe nachgeschaltete Komparatorstufe mit verstärker benützt wird. Die monostabile Kippstufe dem Spannungsteiler R 81, R 91 an einem Eingang in benötigt eine Betriebsspannung von 5 V. Diese wird to Funktion. Diese vergleicht laufend die Ausgangsaus den 8,5 V durch die Zenerdiode D 2 und den Vor- spannung des Integrierers mit einer zweiten Referenzwiderstand R18 erzeugt. spannung, die gleich U ist. Solange U11 kleiner als dieand at the emits a constant voltage of about. When this voltage is reached, the 8, SV emits now hits, and the comparator stage with amplifier connected downstream is used to supply the operational integration stage. The monostable multivibrator to the voltage divider R 81, R 91 at an input in requires an operating voltage of 5 V. This is to function. This continuously compares the output from the 8.5 V generated by the Zener diode D 2 and the bias voltage of the integrator with a second reference resistor R 18. voltage that is equal to U. As long as U 11 is smaller than that
Um aus dem Geschwindigkeitssignal ein Entfer- Referenzspannung ist, liefert der Komparator, derIn order to obtain a distance reference voltage from the speed signal, the comparator supplies the
nungssignal zur Steuerung eines Meilenzählers zu ge- ebenfalls ein integrierter Operationsverstärker/C 4 ist,signal for controlling a mileage counter is also an integrated operational amplifier / C 4,
winnen, muß ersteres integriert werden. Dies wird mit 15 hier jedoch ohne Gegenkoppelung, die Ausgangs-win, the former must be integrated. With 15 this is here but without negative feedback, the output
dem integrierten Operationsverstärker JC3 nach spannungDV. Wenn Ua=Uamax ist, wird die Aus-the integrated operational amplifier JC3 for voltage DV. If U a = U amax, the output
Fi g. 4 erreicht. Ein derartiger Verstärker wirkt inte- gangsspannung des Komparators schlagartig positiv,Fi g. 4 reached. Such an amplifier has a sudden positive effect on the input voltage of the comparator,
grierend, wenn vor den Eingang ein Widerstand R Die positive Ausgangsspannung steuert den Transistorgrating, if there is a resistor R in front of the input. The positive output voltage controls the transistor
und als Gegenkoppelung ein Kondensator C geschal- Γ 2 über den Widerstand R111 leitend und bewirktand as negative feedback, a capacitor C switched Γ 2 conductive and effected via the resistor R 111
tet wird (Ua~ \/R-C/Ue-df). *o dadurch die Fortschaltung des mechanischen Meilen-tet is (U a ~ \ / RC / Ue-df). * o this means that the mechanical miles
Die Meilenzählerschaltung ist in der Fig. 4 mit ZählwerksZ um 0,1 Sm, während durch den leitend den Eingangswiderständen R 20, R121 und dem gesteuerten Transistor Γ1 der Integrierkondensatoi Gegenkoppelungskondensator CIlO dargestellt. Der CIlO der Integrierstufe entladen und diese damit in Meilenzähler ist zweckmäßig als Zusatzgerät vor- den Anfangszustand gebracht wird. Der Kondensatoi gesehen, das an die Buchsen VM der Schaltungs- as C 20 in der Komparatorstufe mit dem Vorwiderstand anordnung nach F i g. 3 angeschlossen wird. Die R100 hat die Aufgabe, das Zurückkippen des Korn-Widerstände R 31, KIlO, R 41, K 61 bzw. KSl die- parators in den Ruhestand (DV) so lange zu vernen als Spannungsteiler bzw. zum Einstellen der zögern, bis sich CIlO voll entladen hat und dei Empfindlichkeit des Integrators. Da der Ausgangs- mechanische Zähler Z angesprochen hat. Dieses Spie spannungshub des Operationsverstärkers begrenzt ist, 30 wiederholt sich jeweils nach 0,1 Sm.The mileage counter circuit is shown in FIG. 4 with the counter Z by 0.1 Sm, while the integrating capacitor C10 is shown by the conductive input resistors R 20, R 121 and the controlled transistor Γ1. The CIlO of the integrating stage is discharged and it is therefore brought to the initial state in the mileage counter as an additional device. The capacitor seen that is connected to the sockets VM of the circuit as C 20 in the comparator stage with the series resistor arrangement according to FIG. 3 is connected. The task of the R 100 is to keep the grain resistors R 31, KIlO, R 41, K 61 or KSl die- parators tilting back into retirement (DV) as a voltage divider or to adjust the hesitation until CIlO has fully discharged and the sensitivity of the integrator. Because the output mechanical counter Z has responded. This Spie voltage swing of the operational amplifier is limited, 30 is repeated after 0.1 Sm.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (5)
Trigger-Schaltung und eine Monoflop-Schaltung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein so zu einer nichtpulsierenden Gleichspannung um- Meßgerät für die Ermittlung von Bewegungsgrößen gewandelt werden, daß deren Amplitude eine von an Schiffen vorzuschlagen, das preisgünstig hergestellt der Drehzahl des Impulsgebers abhängige Bezugs- werden kann und mit dem gleichzeitig die Beschleugröße bildet, indem die Impulse zur Mittelwert- as nigung und der jeweils zurückgelegte Weg gemessen bildung einer Siebkette (R 2, Cl) zugeleitet wer- werden können.2. Measuring device according to claim 1, characterized in 1970, p. 88 ff., It is known to differentiate a characterizes that the pulses of the pulse generator voltage are connected as a differentiating element (1, 2, S) with an oscillating circuit by a Schmitt- ao to use op-amps.
Trigger circuit and a monoflop circuit The invention is based on the object of converting a measuring device to a non-pulsating DC voltage for the determination of movement variables, so that the amplitude of these can be proposed to a ship that is inexpensively produced depending on the speed of the pulse generator - can be and with which forms the acceleration variable at the same time, in that the impulses for mean value adjustment and the distance covered in each case can be measured and fed to a sieve chain (R 2, Cl).
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