DE2138612A1

DE2138612A1 - Verfahren zur messung von geschwindigkeitsaenderungen rotierend oder geradlinig bewegter koerper

Info

Publication number: DE2138612A1
Application number: DE2138612A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Guenter Gassmann
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1971-08-02
Publication date: 1973-02-15
Also published as: DE2138612C3; BR7205193D0; SE379428B; DE2138612B2; US3808560A; FR2148122A1; ES405405A1; GB1384729A; ZA725085B; FR2148122B1; IT963614B

Description

Standard Elektrik Lorenz Aktiengesellschaft Stuttgart

a.G. Gassmann - 87

Verfahren zur Messung von Gesohwindigkeitsanderungen rotierend oder geradlinig bewegter Körper

Gegenstand der Erfindung 1st ein Verfahren zur Messung von Gesohwindigkeitsanderungen oder sich rasch ändernder Momentanwerte der Geschwindigkeit rotierend oder geradlinig bewegter Körper mittels der bei dieser Bewegung durch optische oder magnetische Abtastung eines Rasters hervorgerufenen Wechselspannungen, die von zwei derart gegeneinander versetzten Indikatoren abgegeben werden, dass die abgegebenen Spannungen eine Phasenverschiebung von 90° aufweisen.

Geschwindigkeits&j&erungen geradlinig oder rotierend bewegter Körper werden im allgemeinen durch Kr&ftaufnehsaer registriert, weil GesehwindigkeltsSnderungen zwengslMsafig Brems» bzw. Beschleunigungskräfte verursachen. Diese bekannten Verfahren haben Jedoch den Nachteil, dass die Gesohwindigkeitsäa&erisig einsr elektrischen Grosse, z.B. einer elektrischen Spannung, also einem Analogsignal entspricht. In vielen Fällen ist dagegen sine digitale Darstellung der Messgrösse erwünscht. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, durch optische oder magnetische Abtastung eines Basters Wechselspannungeh zu erzeugen, die in ihr@? Frequenz der Augenblicksgeschwindigkeit entsprechen. Gesohwindigkeits&iderungen werden dann als Frequenzänderungen registriert. Dieses prinzipiell zufriedenstellende Prinzip hat jedoch praktisch dort seine Grenze* wo die Anwendung eines sehr feinen Basters aus Umweltgründen (Schmutz, Wasser und dergleichen) nicht möglich ist. Wird dsa Raster jedoch sehr grob, z.B. in Form einer Zahn» scheibe mit Zahnabst&iden von einigen Millimetern, realisiert, so ist eine sehr schnelle Messung der Geschwindigkeitsänderung nicht möglich, weil das. Messergebnis Jeweils von dem zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Impulse abhängt. Bei den Positioniersteuerungen oder

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ähnlichen Anwendungen, z.B. Antiblockiereinrichtungen für Bremsen, besteht Jedoch die Forderung, dass Geschwindigkeitsänderungen in einer Zeit erfasst werden, die merklich kürzer ist als die Dauer der durch die Abtastung erzeugten Impulsperioden. Eine Verringerung des Impulsabstandes 1st in diesen Fällen mit Rücksicht auf die rauhen Umweltbedingungen nicht möglich.

Unabhängig von dem dargestellten Problem ist es bereits bekannt, zwei Indikatoren, z.B. Fotozellen oder Magnetköpfe, zur Abtastung des Rasters zu verwenden und diese beiden Indikatoren so gegeneinander zu versetzen, dass die abgegebenen Impulsspannungen oder Sinusspannungen eine Phasenverschiebung von 90 aufweisen. Das ist vor allem dort zur Anwendung gekommen, wo man ausser dem zu prüfenden Betrag der Geschwindigkeit auch noch die Richtung erfassen möchte.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, trotz der relativ groben Rasterung eine Messeinrichtung zu schaffen, die Geschwindigkeitsänderungen erfasst, die zeitlich weit innerhalb des Zeitbereiches zweier aufeinanderfolgender Abtastlsapulse liegt, wobei nach wie vor die Bedingung erfüllt sein soll, dass das abgegebene Meßsignal ein digitales Signal 1st.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung dadureh gelöst« dass als Mass für die innerhalb eines Bruchteils der Periodendauer der vom Raster hervorgerufenen Wechsel» spannungen auftretende Geschwindigkeitsänderung bzw. für die innerhalb dieser Zeit auftretenden Momentanwerte der Geschwindigkeit die Änderung der Seltenbandfrequenz einer mittels der von den zwei von den beiden Indikatoren abgegebenen Weohselapaxmungea einseitenbandmodulierten Trägerfrequenzspannung dient.

Dabei wird es als vorteilhaft erachtet, dass zwei multiplikativen Mischern Je eine der beiden von den Indikatoren abgegebenen Wechselspan-

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nungen und zusätzlich je eine gegenüber der anderen um 90° phasenverschobene Trägerfrequenzspannung gleicher Frequenz, die wesentlich höher als die Frequenz der beiden Weohselspannungen ist* zugeführt werden und die Frequenz bzw. die Periodendauer der durch Addition der beiden Ausgangsspannungen der beiden Mischer gewonnenen Seitenbandspannung der Änderung entspricht. .

Anhand der Ausf ünrungsbeispiele der beigefügten Zeichnungen sei im folgenden die Erfindung, weitere ihrer Vorteile und Merkmale näher erläutert. .

Durch die Einseitenbandmodulation einer hohen Trägerfrequenz alt den von den Indikatoren abgegebenen Weehselspannungen entsteht eine Span- I nung mit der Frequenz Λ. =Λ-ν3 oder~0-₂ =ϋ+ώ _β Diese Frequenz hat viele Perioden Innerhalb einer Perlode der von den Indikatoren abgegebenen Wechselspannungen. Bei der bekannten Einseitenbandmodulation einer Trägerfrequenz mittels eines NF-Signals, z.B. eines Sprachsignals, ' werden Zeltverzögerungen dadurch hervorgerufen, dass ein Teil des NF-Signals mit Hilfe eines komplizierten Filters in einem möglichst grassen Frequenzbereich um 90° phasenverschoben wird. Diese Aufgabe ist nie exakt lösbar, weil sie lediglich für einen bestimmten Frequenzbereich angenähert werden kann. Im Gegensatz dazu ist bei der vorliegenden Anwendung die 90°-Bedingung der beiden niederfrequenten Weehselspannungen dadurch gegeben, dass zwei Indikatoren verwendet werden, die räumlich so angeordnet sind, dass die abgegebenen Weehselspannungen zwangsläufig | issner und damit auch bei allen, auch extrem niedrigen Frequenzen um phasenverschoben bleiben. Im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen zur Einseitenbandmodulation findet hier somit keine Zeitverzögerung^ Anwendung, so dass grundsätzlich nur Augenblickswerte verarbeitet werden und somit die AugenblicksfrequenzΛ'. «Λ -£ trägheitslos der Änderung von w folgt. Da jedoch Λ. eine wesentlich höhere Auflösung hat (wesentlich mehr Perioden) als U , 1st es auf diese Weise gelungen, Abwel-

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chungen der Wechselspannungen von der Sinusform durch Änderungen von tu zu ermitteln und damit Augeriblickswerte zu ermitteln, die weit innerhalb einer Periode der von den Induktoren abgegebenen Wechselspannungen liegen.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Anordnung dargestellt. Darin ist 1 eine Zahnscheibe, die auf der gleichen Achse angeordnet ist wie das rotierende Maschinenteil, dessen Drehgeschwindigkeit überwacht werden soll. 2 und 3 sind in diesem Beispiel zwei Sonden, die bei konstanter Drehung der Scheibe 1 infolge der vorbeigleitenden Zähne Sinusspannungen abgeben. Zur Erreichung dieses Zielen können die Zähne entsprechend geformt sein oder der Abstand der Sonden wird unter Inkaufnahme einer entsprechenden Verringerung der Ausgangsamplitude soweit von der Zahnscheibe entfernt, dass die Ausgangsspannungen mit sehr guter Näherung sinusförmig sind. Die beiden von der Sonde 2 und Sonde 3 abgehenden Sinusspannungen werden den multiplikativen Mischern 4 und 5 zugeführt. 6 ist ein Hochfrequenzgenerator, dessen konstante Frequenz als Trägerfrequenz dient. Die von ihm abgegebene Wechselspannung wird einem Mischer 5 direkt und dem anderen Mischer 4 über ein, phasendrehendes Netzwerk 7» welches das Hochfrequenzsignal um 90° phasenverschiebt, zugeführt. Die Ausgangsspannungen dieser beiden Mischer werden in der Additionsschaltung 8 zu einer Summenspannung addiert. Diese Summenspannung hat die Frequenz Jl ^ = Xi. - tf> . Eventuell auftretende geringfügige Reste der Frequenz JTl und der Frequenz Sl + vO können dadurch beseitigt werden, dass man das Summensignal mit einem Begrenzer 9 begrenzt. Das so gewonnene digitale Signal mit der Frequenz Λ, = Λ - νΛ kann, wie Fig. 2 zeigt, über eine beliebig lange Übertragungsstrecke übertragen werden. Am Ende der Übertragungsstrecke 10 kann das Signal in einem Verstärker 11 verstärkt werden, anschliessend erneut in einem Begrenzer 12 begrenzt werden. Durch diese Begrenzung wird es von Rausch- und Störspannungen, die auf der Übertragungsstrecke entstanden sind, befreit. Zur endgültigen Auswertung kann das Digitalsignal mit einem Diskriminator 13 in ein

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Analogsignal zurückverwandelt werden. Dieses Analogsignal hat den grossen Vorteil, dass es im Vergleich zu einem über eine Übertragungsstreeke übertragenen Analogsignal wesentlich störunempfindlicher ist und gemäss der Erfindung Schwankungen der Umlaufgeschwindigkeit bereits innerhalb einer Periode der von den Induktoren 2 und J5 abgegebenen Spannungen ausgewertet werden können.

Nachfolgend sei die an sich bei Einseitenbandmodulation bekannte Bildung der Frequenz JT.. = -fl--v& hergeleitet:

U₁ = U . sin »at

U₂ = U . cos w
U₁J₁=U₁J. sin -at

^UH2^{= U} _H · ^cos

= TJ . Uj₁ , sin /Lt . sin \»t = ^U * ^UH [cos (Λ - ο ) t - cos (Λ+ve )jf] · ^UH * ^{cos Λ}* · ^{cos w}■*■ ⁼ * hTcos (-Λ -νώ ) t + cos (SL+ vö )t]J

« ^g * ^UH ("2 cos (JtL - w ) ■ tj » U . U_H . cos (Jl-VJ ) t

. '■ β U · TJL₁ . cos Jl₁ t

ti X

DaUg =ü. cos tat mit einer separaten Sonde und nicht, wie sonst bei Einseitenbandmodulation, durch Phasenschiebung der Spannung U. = U · sin tot J mit Hilfe einer eine Zeitverzögerung bewirkenden ^-Phasenverschiebung gebildet wird, kann man auch sehr schnelle Abweichungen der Umlauf frequenz dadurch erfassen, dass manu) nicht als Konstante, sondern als eine Funktion der Zeit u> = u) (t) auffasst. Nimmt man z.B. den Extremfall an, dass der betreffende rotierende Körper völlig tragheltslos von einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit auf Null abgestoppt wird, so bedeutet dies,

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dass nach dem Abstoppen U₁ = U · sin f. ist, wobei f ein beliebiger

"f 1 Winkel sein kann« In diesem Fall ist to (t) = -~ . Setzt man diesen Wert

W-

in die Sumnenspannung

Uj^ + Uj₅₅ = U . cos (Λ jr-vi ) t ein, so erhält man

% + Uj₆ - U . U_H + cos ( JIt + i ₁).

Aus diesem Beispiel 1st erkennbar, dass für den Fall, dass ^ von einem

f 1 konstanten Wert schlagartig auf den Wert -~- springt, genauso, trägheitslos die Frequenz der Sumnenspannung umspringt. Selbstverständlich ist in der Praxis eine schlagartige Abbremsung auf Null unmöglich. Mit diesem Beispiel soll lediglich gezeigt werden, dass die Frequenz der Sunteenspannung weit innerhalb einer Periode von «-*> auf den jeweiligen Augenbllokswert sich einstellt, so dass die gestellte Aufgabe, Änderungen der Momentanwerte der Umlaufgeschwindigkeit weit innerhalb einer Periode der durch Abtastung entstehenden Wechselspannungen inesstechnisch in digitaler Darstellung zu erfassen, erfüllt ist.

Man kann die obige matheaatische Beziehung auch anders deuten: Der Phasenwinkel der Susaaenspannung ist trägheitslos identisch mit dem Phasenwinkel von U₁, also der Wechselspannung einer der beiden Sonden, auch wenn ^₁ eine beliebige Funktion der Zeit f _χ = f_x(t) ist.

Fig. 3 zeigt die zeitliche Darstellung für dieses Beispiel. In Fig. 3a ist U, über die Zeit aufgetragen. Zur Zeit t_t sei die rotierende Scheibe schlagartig auf Null abgebremst. Das Maximum der Sinusspannung ist U, die Amplitude nach der Zeit ^ ist U · sin f _1# Bi Fig. ya ist die Summenspannung Μ^Λ, + Uj₄,- dargestellt, fba Zeitpunkt t. 1st die Frequenz dieser Sunnenspannung schlagartig um den Betrag w höher als vorher.

Aus Fig. 3b geht hervor, dass f^ die DIfferenzfrequenz (Λ - u> ) _VOr dem Zeitpunkt t- ist, während zur Zeit t. die Frequenz u) Null wird und die Differenzfrequenz f₂ » Λ- 0 « Λ ist, d.h. die BrHgerfrequenz des Generators 6 ist.

2 Patentansprüche

2 Bl. Zeichnungen mit 4 Fig.

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BAD OFUGtf/AL

Claims

G.Gassmann - δ?

Patentansprüche

1, Verfahren zur Messung von Gesehwindigkeltsänderungen oder sich rasch ändernder Momentanwerte der Geschwindigkeit rotierend oder geradlinig bewegter Körper mittels der bei dieser Bewegung durch optische oder magnetische Abtastung eines Rasters hervorgerufenen Wechselspannungen ,T die von zwei derart gegeneinander versetzten Indikatoren abgegeben werden, dass die abgegebenen Spannungen eine Phasenverschiebung von 90 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass als Mass für die innerhalb eines Bruchteils der Periodendauer der vom Raster hervorgerufenen Wechselspannungen auftretende Geschwindigkeitsände- "i rung bzw. für die innerhalb dieser Zeit auftretenden Momentanwerte der Geschwindigkeit die Änderung der Seitenbandfrequenz einer mittels der zwei von den beiden Indikatoren abgegebenen Wechselspannungen einseitenbaiidmodulierten Trägerfrequenzspannung dient.

2, Verfahren nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, dass zwei multiplikativen Mischern je eine der beiden von den Indikatoren abgegebenen Weohselspannungen und zusätzlich je eine gegenüber der anderen um 90° phasenverschobene Trägerfrequenzspannung gleicher Frequenz (-TL), die wesentlich höher als die Frequenz (to ) der beiden Weehselspannungen ist, zugeführt werden und die Frequenz (JT ==XL-w) oder-Q-g = 11+*; ) bzw. die Periodendauer der durch 'i Addition der beiden Ausgangsspannungen der beiden Mischer gewönne- τ ne Seitenbandspannung der Änderung entspricht.

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