DE2213736C2

DE2213736C2 - Schaltungsanordnung zur automatischen Ermittlung der Maxima und Minima einer Schwingung und zu deren Regelung

Info

Publication number: DE2213736C2
Application number: DE19722213736
Authority: DE
Inventors: Ivan Dipl.-Ing. 6105 Ober-Ramstadt Chudey; Carl-Martin Dipl.-Ing. 6142 Bensheim-Auerbach Wawra
Original assignee: Carl Schenck Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1972-03-22
Filing date: 1972-03-22
Publication date: 1974-04-18
Also published as: GB1385461A; DE2213736A1; DE2213736B1; CH541810A

Description

" Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur automalischen Ermittlung der Maxima und Minima einer als elektrisches Signal vorliegenden Schwingung, deren Extremwerte mittels Spitzenspannungsspeicher gespeichert werden, insbesondere für Spitzenwertbercchner in dynamischen Werkstoff Prüfmaschinen und zur Regelung der Schwingung. Aus der deutschen Auslegeschrift I 616078 ist eine Schalliii'gsniiorclniingziir automatischen Messung der Amplituden von rechtcekförmigcn Impulsen einer koiiManlen Zeitfolge bekannt. Um die infolge von Einnchwingvorgiingen nn der VonJcrflunkc auftreten«

s den SpannungsspiizeiT nicht zu erfassen, wird die Impulshöhe zu einem definierten Zeitpunkt nach Beginn der Vorderflanke des Impulses gemessen, dessen Abstand von der Vordcrflanke ein bestimmter Bruchteil der gesamten Impulslänge ist. Ebenso wird der NuIl-

weit zu einem definierten Zeitpunkt von der Vorderflnnkc des Impulses aus gemessen. Sowohl der Wert für die Höhe des rcchtcckförmigen Impulses als auch der Wert für seine NuII-I age werden in je einem Kondensator gespeichert. Die Meßzeitpunkte werden von

t5 Inipulsgciieratoren, von Verglcichseinrichlungen aus impulslänge und ImpuJsabstand ermittelt.

Aus der deutschen Au legcschrift I 017 27H ist ein Verfahren zur Messung von Strompulsationen bekannt, (n'maß diesem bekannten Verfahren wird mittcfe eines Gleichrichters ein Kondensator auf eine dem Spitzenwert des Wechselstroms entsprechende Spannung aufgeladen und mittels eines Potentiometers ein Anzeige.nstrument auf den Wert 100 eingestellt. Nach Abschalten des Kondensators zeigt das Anzeige instrument den arithmetischen Mittelwert des anliegenden Stromes an und, wenn das Anzeigeinstrument entsprechend geeicht ist, kann die Strompulsat ion direkt in Prozenten abgelesen werden. Mit dieser bekannten Schaltungsanordnung kann jedoch der Absolutwert der Spitzenspannung nicht ermittelt werden. Außerdem ist es nicht möglich, den Minimalwer! festzustellen.

Weiterhin sind Spitzcnwertberechncr bekannt, (deutsche Offenlegungsschrift 2OOfi4^ul) die aus der als elektrische Signalspannung vorliegenden Spannung jeweils eine sogenannte Hüllenfunktion der Maxima und eine der Minima bilden. Für die Bildung einer Hüllcnfunktion sind jeweils zwei Spitzenwerispeicher vorgesehen, so daß insgesamt vier erforder lieh sind. In je zwei Spitzenwertspeichern wird abwechselnd ein Maximum und ein Minimum gespeichert und die Spitzenwertspeicher werden während der Speicherze't über eine Logik, bestehend aus Vergleichseinrichtungen, Flip-Flop, UND- und ODER-Glieder an den Ausgang geschaltet.

Der Aufwand dieser bekannten Einrichtung ist verhältnismäßig hoch und bringt auch gewisse Meßungenauigkeiten wegen einer unterschiedlichen Drift der Verstärker in den beiden Spitzcnspannungsspeichern.

Aufgabe der Erfindung ist es, dl·-· Verringerung der erforderlichen Schaltelemente zu erreichen sowie den Umweg über die Bildung einer Hüllcnfunktion zu vermeiden und die Exlrem-Istwertc unmittelbar mcßtcchnisch zu erfassen. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die beiden in den Spitzenspannungsspeichern gespeicherten Extrem-Istwerte während eirrcr konstanten Auswertezeit, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Rechners, an eine Auswerteeinrichtung (Regeleinrichtung) inncrhalb einer nach einem Extrem-Istwert gegebenen Speicherzeit angeschaltet und die Spitzcnspannungsspcicher nach der Speicherzeit gelöscht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in Regelkreisen die Extrem-Istwerte mit den Sollwerten verglichen werden und die Differenzwerte an die Auswerteeinrichtungen angeschaltet werden.

Durch diese Schaltungsanordnung ist praktisch nur die Hälfte der Spsichereinrichtungen der bekannten

MAnnrdniing erforderlich und durch den Vergleich der ffixircni-ls» werte mit den Extrem-Sollwerten und die iSgclungslechnischc Weiterverarbeitung der Diffefei»nzwcr(c kann eine höhere Genauigkeit als bei der

^kannten Anordnung erzielt werden. mi*. Dc^f Impui» zur Anschauung der Extrem-Istwerte WifßH. der Differenzwerte an die Auswerteeinrichliing WMti 'der Impuls zur Löschung der Spitzeiispannungs-Pf cpejrher wird vorteilhaft von einer Zeitschallcinrich- <^? Uing gegeben, die über eine U)gik nach einem Maxi- ^ritum oder einem Minimum angesteuert (getnggert) H wird. In der l-ogik sind Kippstufen über UND-Glieder Γ mit einem Flip-Flop verbunden, das die Auslösung P des Triggersignals steuert.

*%'' In tier Zeichnung ist ein Ausfulmingsbeityiel der * Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 die Anwendung der Erfindung zur Messung und Rcj 'ungder Extremwerte bei einer dynamischen Werkstoffprüfmaschine,

pjü. 2 und 3 verschiedene Schwingungskurven. Vie t'H- ' zeigt eine Werkstoifpriifmasehine zur Erzi"t'^u"g dynamischer Belastungen. Ler Prüfkörper l isi unter Zwischenschaltung einer Kraftmeßdose 2 an dem nur andeutungsweise dargestellten Riiinieii 3der hydraulisch betriebenen Prüfmaschine hefesti",! Am anderen Ende des Prüfkörpers 1 ist eine Masw 4 angebracht, die mit der Kolbenstange 5 des dopptlsiiiig beaufschlagten Kolbens 6 im sogenannten Miiicikraft-oder Vorlastzylinder 7 verbunden ist. pie Kolbenstange 5 ist mit der Kolbenstange 9 des Jtolhcfis 10 im Wcchsellastzylindcr 11 verbunden. FaIN ei forderlich, kann zwischen der Kolbenstange 5 und der Kolhcnstange 9 ein Übertragungselement eingeschaltet sein. Die Zylinder 7 und 11 sind ebenfalls ;io <J' in nur andeutungsweise dargestellten Rahmen 3 befestigt.

Von einer nicht dargestt 'Iten Hydraulikanlage wird der Zylinder 11 über Hydraulikleitungen 13 unter Zwischenschaltung eines hydraulischen Servoventil 14 und eines hydraulischen Schaltventils 15 derartig mit Druckmittel versorgt, daß der Kolben 10 abwechselnd auf seiner Oberseite und seiner Unterseite mit Druckmittel beaufschlagt wird, so daß eine vorgegebene Schwingbdastung des Prüfkörpers 1 erzeugt wird. Über die Klemme 12 wird der Amplituden-Sollwert As vorgegeben und in der Vergleichseinrichtung 19 mit dem Amplituden-Istwert Ai, der über die Leitung zugcfühTt wird, verglichen. Eine auftretende Differenz AA wird Lber den Schalter 37, der über die Leitung 35 von der Zeitschalteinrichtung 33 während der Zeit At geschlossen wird, an eine Auswerteeinrichtung, z. B. z. B. die Regeleinrichtung 39, die als Speicher ausgebildet sein kann, angeschaltet. Der Schalter 37 ist hier ebenso wie der Schalter 36 als mechanischer Schalter der Einfachheit halber dargestellt. Es sei jedoch darauf hingeweisen, daß meist wegen der kurzen Schaltzeiten fast ausschließlich elektronische Schalter verwendet weiden. Der von der Zeitschalteinrichtung 33erzeugte Durchschaltimpuls ist unabhängig von der jeweiligen Frequenz, so daß die Durchschaltezeit At unabhängig von der Frequenz ist und somit in der Regeleinrichtung 39 ein von der Frequenz unabhängiges Signal zur Nachregelung des hydraulischen Zylinders 11 erzeugt wird. Zwischen der Regeleinrichtung und dem Servo-Ventil 14 ist noch ein Verstärker vorgesehen. Der durch den Zylinder 11 erzeugten dynamischen Belastung, die um den Null-Punkt schwingt, kann eine Vorlast oder Mittelkraft überla- £crt werden. Hier/u wird der Kolben 6 in dem Vur-Isiht/yliiulcr 7 auf einer seiner beiden Seilen mit Hydraulikflüssigkeit von vorgegebenem konstantem oder sich verhüll uismaBig liingfnm linderndem Druck beiuifschlagt. Dazu sind im Zylinuer7 an Keinen beiden Enden Zu- bzw, Abflußöffnungen 18 für die Hydraulikflüssigkeit vorgesehen. Diese öffnungen werden über Hydraulikleitungen 21 und uin hydraulisches Servo-Ventil 23 mil der nicht dargestellten Druckmiltelvcrsorgungsanlage verbunden. Das Servo-Ventil 23 wird über den Verstärker 24 so gesicuerl, daß die gewünschte Mittelkraft erzeugt wird.

Der Mittelkraflsollwert Ms winl über die Eingangskicmnic 16 einer Vergleichseinrichtung 20 zugeführt.. In dieser wird der Mittelkraft-Sollwert Ms mit dem über die Leitung ^O zugeführten MiUcI-krafi-istwerl Mi verglichen. Eine auftretende Differenz AM wird bei geschlossenem Schalter 36, der, wie bereits erwähnt, von der Zcitschalteinrichtung 33 über die Leitung 35 eingeschaltet wird, der Regeleinrichtung 38 zugeführt. Diese Regeleinrichtung 38, die einen Speicher enthalten kann, gibt das Regdsignal übei len Verstarker 24 zur Nachregelung der Mitlelkrafi an das hydraulische Servoventil 23 weiter. Du der Kolben 6 unter der Wirkung des dynamischen Hclastungs/ylindcrs 11 eine rasche Schwingbewegung ausführt, ändert sich auch das Zylindervolumen beiderseits des Kolbens 6 bei jedem Sehwingungsvorgang rasch. Ein derartig schneller Ausgleich der Hydraulikf jssigkeit über die Leitungen 21 ist nicht möglich. Deshalb sind am Ende des Zylinders Anschluüöffnungen 25 für jeweils einen hydraulischen Speicher 26 vorgesehen. Die Speicher 26 nehmen das durch die Schvvingbewegung des Kolbens 6 kurzzeitig verdrängte Druckmittelvolumen auf.

Die Kraftmeßdose 2, die wie angedeutet mittels Dehnmeßstreifen eine der Kraft proportionale Widerstandsänderung erzeugt, ist mit dem Meßverstärker 22 verbunden, an dessen Ausgang eine der Kraft proportionale Signalspannung S entsteht, die dem Spitzenspannungsspeicher 27 zugeleitet wird. Der Spitzenspannungsspeicher 27 besitzt zwei getrennte Speichcreinrichtungcn, eine für die Oberlast, die maximale Amplitude, und eine für die Unterlast, die minimale Belastung. Die ermittelten Meßwerte für die Ober- und Unterlast werden über die Leitungen einem Zwischenspeicher 28 zugeleitet und dort jeweils getrennt gespeichert. Der Zwischenspeicher ist über die Leitungen 41 mit dem Rechner 29 verbunden, der aus der Oberlast und der Unterlast den Mittelkraft-Istwert Mi und den Amplituden-Istwert Ai errechnet und diese über die Leitungen 30 vnd 31 den Vergleichseinrichtungen 19 und 20 zugeführt.

Die am Ausgang des Meßverstärkers 22 auftre-

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tende Signalspannung S wird über die Leitung 50 den Kippstufen 42 bis 45 zugeleitet. Außerdem wird die am Ausgang des Spitzenspanrungsspeichers 27 auftretende Oberlast OL über die Leitung 51 den Kipp-

60 stufen 42 und 43 und die Unterlast UL über die Leitung 52 den Kippstufen 44 und 45 zugeleitet. Die Kippstufen 42 und 44 sind so eingestellt, daß sie kippen und eine Spannung an ihren Ausgang legen, wenn die Signalspannung S kleiner als die Ober- bzw. Un-

65 terlast ist. Umgekehrt sind die Kippstufen 43 und derart eingestellt, daß sie eine Spannung an den Ausgang anschalten, wenn die Signalspannung S größer als die Ober- bzw. Unterlast ist. Die Ausgänge der

Kippstufen 42 und 43 für die überlast sind mi! dem UND-Glied 4(t. ■ lcs-.cn beide Eingänge mit Negationsstufen verseilen sind, verbunden. In ähnlicher Weise sind die Kippstufen 44 und 45 für die Unterlast mit dem UND-Glied 47, dessen Eingänge ebenfalls mit Ncgationsstnfen versehen sind, verbunden. Die Ausgänge der UND-Glieder 46 und 47 werden den beiden Eingängen des Flip-Flop 48 zugeführt. Die Funktionsweise dieser Logik ist folgende. Das UND-Glied 46 kann nur dann Spannung an seinen Ausgang schalten, wenn an den Negationsstufen beider Eingänge Null-Potential liegt. Dies ist der Fall, wenn die Signalspannung S mit der am Ausgang des Spitzenspannungsspeichers 27 anliegenden überlast OL übereinstimmt. In diesem Fall wird an dem oberen Eingang des Flip-Flop 48 Spannung angelegt und es erscheint ebenso Spannung am Ausgang 54. Sobald die Signalspannung S kleiner wird als der "im Spitzcnspannungsspeichcr 27 gespeicherte maximale Wert der überlast OL kippt die Stufe 42 und schaltet an ihren Ausgang Spannung an, die über die Leitung 53 dem UND-Glied 49 zugeleitet wird. Jcizt liegt an beiden Zuführleitungen 54 und 53 Spannung, das ■UND-Glied 49 spricht an und schaltet über die Leitung 32 Spannung an das Zcitglicd 33 und schaltet diese Zeitschaiteircichtung ein.

Sobald die Signalspannung 5 und die Unterlast UL übereinstimmen liegt an den Ausgängen der Kippstufen 44 und 45 keine Spannung und das UND-Glied 47 spricht, da seinen beiden Eingängen ebenfalls Negationsstufen vorgeschaltet sind, an und schaltet Spannung an den unteren Eingang des Flip-Flop 48, der jct/t Spannung von der Leitung 54 abschaltet und an die Leitung 55 anschaltet. Ein Kippen der Stufe 42 ergibt jetzt keinen Impuls zur Auslosung der Zeitschalteinrichtung 33. Durch diese Logik wird sichergestellt, daß jeweils nach einem Maximum die Zeitschalt^wirichtung ausgelöst wird. Statt dessen kann die ZciischaltcinrichtU'ig ebenso nach Erreichen eines Minimums ausgelost werden, wenn der Ausgang der Kippstufe 45 und der Ausgang 55 des Flip-Flop 48 einem ÜNÜ-Cilicd /ugcicilct werden.

Die Zcitschalieiiirichluiig gibt nach einer kurzen Zeil einen Impuls von der I auge At über die Leitung 35 zu den Schaltern 36 und 37. Hierdurch wird die Differenz AA bzw. AM mn den Regeleinrichtungen 38 und 39 während der /.eil Al verbunden, die von der jeweiligen BclasUiiighfrfqucn/ unabhängig ist. Nach beendeter Durchschaltung wird über die Leitung 34 ein Impuls zur Löschung des Spit/cnspannungsspeichcrs 37 und des Zwischenspeichers 28 gegeben. Die Zeit (I beträgt etwa ein Viertel bis ein Halb der Schwingungsdauer der höchsten Frequenz. Meist dürfte der Wert bei etwa drei Viertel der Schwinguiigsdauer der höchsten Frequenz, liegen. Hierdurch wird sichergestellt, dall die Speicher bei Erreichen des niichstcu Minimums wieder «tufnahmcbercit sind und dieses Minimum speichern bis die neuen Istwerte erreicht und an die Auswcriecinrichiunge;,
I)CD wurden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Verlauf einer Schwingung, wie sie bei einer dynamischen Prüfmaschine auftreten kann. Als Scliwiiigungskurvc wurde ein drcicckförmigir Verlauf gewählt. Üft wird jedoch auch ein sinusförmiger Verlauf der Jielaslungsfrequcnz gewählt. Üei Beginn der Schwingung folgt die überlast OL der Sigiialspanuung S. Nach Erreichen

ίο des Maximums Mi wird die überlast OL gespeichert und zwar sowohl von dem Spitzenspannungsspeicher 27 als auch von dem Zwischenspeicher 28 als Spannung OLsp. Der Spil/cuspannungsspcichcr 27 kann nach der Zeil /1 wieder gelöscht werden und folgt

is bis zum nächsten Maximtim, dem Maximum Af 3, der Signalspaunung S. bzw. nur dann, wenn diese den Wert überschreitet, den sie nach !mischung des Speichers und Anschalten besessen hatte. Hei der Verwendung eines Zwischenspeichers kann die Auswer-

ao lung während der beiden Maxima Ml und Af3 erfolgen.

Falls jedoch ein Zwischenspeicher 28 nicht verwendet wird, ergibt sich der in F i g. 3 dargestellte Verlauf der Sigiialspannung 5 und der überlast- und Unterlastspannungcn OL und UL. Bei dieser Anordnung wird zunächst der niedrigste Wert UL gespeichert und die übei last OL folgt der Signalspannung S. Während dieser Zeit wird über das UND-Glied 46 an den oberen Eingang des Flip-Flop 48 Spannung angelegt, so daß an seinem Ausgang 54 ebenfalls Spannung erscheint. Nach Überschreitendes Maximums AfI kippt die Kippstufe 42 und es wird ebenfalls an du- Leitung 53 Spannung angelegt, so daß das UND-Glied 49 ansprechen kann und über die Leitung 32 die Zeitschalt einrichtung 33 einschaltet. Nach einer kurzen Zwischenspeicherzeit b/w. der Zeit, die der Rechner 29 benötigt, werden die Schalter 36 und 37 für ci<e Zeitdauer Al geschlossen und die Diffcrcnzwerte AA bzw. AM werden den Auswcrtceinrichtungcn 38 und 3V zugeführt. Statt der Differenzwerte können selbstverständlich auch die Amplituden-Ist- bzw. Mitlelkraftisiwcnc den Auswcrieeinricnjungen zugciciici werden. Nach Ahlauf der Zeitspanne ti wird von der Zcitschaltciurichtung 33 ein !.öschbcfchl ιιΐν,τ die Leitung 34 angeschaltet, der in dem Spitzcnspannungsspcichcr 27 sowohl die Überlast- als auch den Unterlastwcr« löscht. Beide Werte nehmen den nach Ende des Löschbcfchls vorhandenen Wert der Signal spannung an. Wie sich aus Fig. 3 ergibt, foigt die Un

So terlast nunmehr der Signalspannung, währenJ die überlast den Augenbiickswer! speichert bis die Signalspannung diesen Wert wieder überschreitet. Sobald das Minimum Ml überschritten ist, wird der Unlcrlastwei t UL gespeichert und über die Kippst u-

fen 44 und 45 sowie das UND-Glied 47 wird Spannung alt den unteren Eingang des Flip-Flop 48 geschaltet. Dieser kippt in die andere Laß« und gchultcl Spinnning an den Ausgang 55.

Hierzu I Blatt /richnuiigcn

Claims

213 736 Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur automatischen Ermittlung de; Maxima und Minima ciii'T als elektrisches Signal vorliegenden Schwingung, deren Extremwerte mittels Spil/unfipiinnung&pcichcr gespeichert werden, insbesondere für Spuzenwcrtberechncr in dynamischen Werkstoffprüfnmschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden (in den Spitzcnspannungssp«. ichern 27 ()zw. 28) gespeicherten Extrem-Is'werle während einer konstuntcn Auswertezeit (At), gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Rechners (29), an eine Auswerfeinrichtung (Vcrglcichscinrichtungcn 19 und 20; Regeleinrichtungen 38 und 39) innerhalb einer nach einem Extrem-Istwert beginnenden Speicherzeit (t\) ungcschaitet und die Spitzcnspannungsspdchci nach der Speicherzeit (/1) gelöscht werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrem-Istwerte mit den Extrem-Soliwerlcn (Vcrgleichscinriehtungen 19 und 20) verglicht π werden und die Dif fcrenx.wcrtc (AA, AM) an die Regeleinrichtungen (38, 39) angeschaltet werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Zcitschaltcinrichtung (33) die Extrem-Istwerte bzw. die Differenz der Extrem-Istwerte zu den Extrem-Soilwertcn kurzzeitig wahrend der Auswertezeit (At) an die Regeleinrichtungen (38, 39) angeschaltet (über mechanische oder elektronische Schalter 36,37) und nach Ablauf der Speicherzeit (/I) der Spitzenspannungsspeicher (27 b/w. 28) gelöscht werden.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zcitschaltcinrichtung (33) von einer Logik (42 bis 49) eingeschaltet wird, die aus Kippstufen (42 bis 45) besteht, wobei jeweils zwei (42, 43) für das Maximum und zwei weitere (44, 45) für das Minimum zusammengefaßt sind, die über Negationsstufen jeweils mit einem UND-Glied (46, 47) und deren Ausgänge mit einem Flip-Flop-Element (48) verbunden sind derart, daß bei .Spannungsgleichheil zwischen Signalspannung (S) und Speicherspannung (OL, UIs) und hei einem Maximum-Istwert der obere Teil des Flip-Flops und bei einem Minimum-Istwert der untere Teil des Flip-Flops eingeschaltet ist und, daß nach einem Maximum (bzw. Minimum) und anschließendem Kippen der entsprechenden Kippstufe (42 bei Maximum; 45 bei Minitn'%n) über ein UND-Glied (49) Spannung an die Zeitschalteinrichtung angeschaltet wird.