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Vorrichtung zur Messung der relativen Verschiebung zweier Zonen Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der relativen Verschiebung zweier
zueinander im Abstand gehaltener Zonen eines Systems, vorzugsweise zur Drehmomentmessung.
Des weiteren bezieht sich die Erfindunq auf eine Regelvorrichtung zur Regelung und
Steuerung der Arbeitszustände einer primären Antriebsquelle; dabei wird insbesondere
eine lichtmodulierende Anordnung verwendet, die Ausgangssignale erzeugt, die der
Ausgangsleistung der primären Antriebsquelle entsprechen und wobei diese Ausgangssignale
zur Steuerung und Regelung der Antriebsquelle zurückgeführt sind.
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Als in dieser Hinsicht in Betracht kommende bekannte Anordnungen sei
verwiesen auf die US-Patente 2 586 540, 3 495 452, 2 136 223, 2 313 923, 2 947 168,
3 130 581, 2 402 719, 2 938 378 und 3 111 028.
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Aufgrund der jüngsten Bemühungen verschiedener Regierunaen, die Luftverschmutzung
zu reduzieren, ist auch verfügt worden, daß die in heutigen Kraftfahrzeugen und
Automobilen eingebaute Brennkraftmaschine so eingestellt und beschaffen sein muß,
daß die von ihr abgegebenen Anteile bezüqlich einer Luftverschmutzuncr, beispielsweise
Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxyde, der Oxyde des Stickstoffes und dergl. so klein
wie möglich gehalten werden.
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Es wäre in diesem Zusammenhang möglich, eine überlegenere Wirkung
weise heutiger Brennkraftmaschinen zu erzielen, wenn der Motor als Funktion der
abgerufenen Leistung, d.h. des Leistungsbedarfes eingestellt werden könnte, bzw.
der tatsächlich entwickelten Leistung bzw. Drehmomentes angepaßt werden könnte.
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Bis zum heutigen Zeitpunkt gibt es jedoch noch keine wirtschaftlich
in vernünftigen Grenzen liegende Mittel, die fortwährend das Drehmoment bzw. die
Leistungsabgabe des Motors messen, so daß es möglich wäre, die Arbeitsparameter
des Motors kontinuierlich mit Bezug auf das Drehmoment oder die Leistungsabgabe
in der Weise anzupassen, daß optimale Arbeitszustände erreicht werden können.
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Beispielsweise ist es bekannt, daß es bestimmte Brennstoffeinlaßgeschwindigkeiten,
bestimmte Brennstoffluftverhältnisse und bestimmte Einstelldaten für die Vorzndng
gibt, die dazu beitragen würden, die Kraftstoffverbrennung innerhalb der Zylinder
des Motors maximal zu halten undfoder maximale Ausgangsleistungen zu erzielen. Es
ist weiterhin bekannt, daß diese verschiedenen Motorzustände sich mit der Geschwindigkeit
des Kraftfahrzeuges und mit den jeweiligen Fahrzuständen, d.h. Beschleunigung, Verzögerung,
konstante
Geschwindigkeit und dergl. verändern; dabei ist es möglich, sämtliche dieser Zustände
für ein vorgegebenes Kraftfahrzeug durch Messung des Drehmomentes an der Antriebswelle
und durch Messung der Drehzahl zu bestimmen, aus diesen Messungen können dann Rückführsignale
zur Erzielung von Regelfunktionen entwickelt werden. Diese Regelfunktionen können,
wie weiter unten noch genauer erläutert wird, komplexe Funktionen sein, die von
einer oder mehreren der gemessenen Be-triebscharakteristiken, d.h. von der Leistung,
dem -Drehmoment und der Drehzahl abgeleitet sind. Dabei ist es bei dieser speziellen
Verwendung nicht nur notwendig, Werte des Drehmomentes und der Drehzahl zu verwenden,
sondern es ist auch notwendig, die wirtschaftliche Gesamtsituation zu betrachten
und von einer Vorrichtung solche Informationen erzeugen zu lassen und zur Verfügung
zu stellen, die sowohl genau als auch für den Betrieb des Motors preiswert sind
und nur geringe Luftverschmutzungen verursachen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es möglich macht, die jeweiligen Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges exakt
zu erfassen und daraufhin den Motor optimal in seiner Arbeitsweise einzuregeln.
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Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Vorrichtung
zur Messung der relativen Verschiebung zweier zueinander im Abstand gehaltener Zonen
eines Systems-, vorzugsweise zur Drehmomentmessung und besteht erfindungsgemäß darin,
daß an der einen Zone aneinandergrenzende Bereiche unterschiedlicher optischer Eigenschaften
tragende Mittel vorgesehen sind, wobei zwischen angrenzenden Bereichen eine scharf
definierte -Grenze besteht, daß Anordnungen zur Aufleitung von Strahlung in einer
Richtung auf diese Bereiche vorgesehen sind und daß die bei auftretender Relativbewegung
zwischen den Bereichen und der Strahlung mindestens an einer Grenze eintretende
Strahlungsänderung von Detektoranordnungen
abtastbar und von Wandlern
in ein elektrisches1 in einem festen Zeitverhältnis zur Strahlungsänderung stehendes
Primärsignal umformbar ist, daß eine Anordnung zur Erzeugung eines weiteren elektrischen,
als Referenzsignal wirkenden, für die andere Zone repräsentativen Primärsignales
vorgesehen ist, wobei die beiden Primarsignale mit der Ausnahme des Auftretens relativer
Verschiebung ein festes zeitliches Phasenverhältnis aufweisen und einer Schwellenwertanordnung
zuführbar sind zur Erzeugung von das Phasenverhältnis der Primärsignale anzeigenden
Impulsen und daß Einleitung und Ende dieser Impulse bestimmt ist von den Zeitpunkten,
an denen die Primärsignale ihrem jeweiligen zeitlichen Mittelwert gleich sind.
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Auf diese Weise ist es möglich, Rückführsignale zu erzeugen, die eine
Funktion der Leistungsabgabe und/oder der Winkelgeschwindigkeit und/oder des Drehmomentes
einer die Leistung übertragenden Welle eines Kraftfahrzeuges sind, welches von einer
Brennkraftmaschine oder einem sonstigen Motor angetrieben ist und auf die Betriebsparameter
des Motors als Folge solcher Signale einzuwirken und Änderungen hervorzurufen, um
dz Leistungsabgabe des Motors zuregeln.
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Dabei wird ein Lichtmodulationsschema verwendet, bei welchem eine
aufgrund der Leistungsübertragung der Welle hervorgerufene Verdrehung derselben
in elektrische Signale umgewandelt wird, die das Drehmoment anzeiqen, auch die Winkelgeschwindigkeit
der Welle wird überwacht und gleichfalls in elektrische Signale umgesetzt.
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Dabei ist es gegebenenfalls möglich, die Signale zu kombinieren und
so zu einer Anzeige der von der Welle übertragenen Leistung zu gelangen.
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Es werden daher die Winkelgeschwindigkeit oder die von der Welle übertragene
Leistung oder das Wellendrehmoment als Basis verwendet,
um Eingangssignale
zu erzeugen, die dem Motor direkt gemäß den verschiedenen gewonnenen Werten zugefilhrt
werden oder in Form von komplexeren Funktionen; dabei werden diese Signale zunächst
Servoanordnungen zugeführt, die ihrerseits wiederum die Betriebsparameter des Motors
entsprechend verändern und einstellen und damit auf die Ausgangsleistung der Brennkraftmaschine
Einfluß nehmen und diese regeln.
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Dadurch ist es auch möglich, die Ausgangsleistung einer Brennkraftmaschine
so einzustellen, daß die von der Brennkraftmaschine verursachte Luftverschmutzung
reduziert und äußerst gering gehalten wird.
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Es versteht sich jedoch, daß ein Drehmomentmesser, und hierbei insbesondere
der weiter vorn schon erwähnte Drehmomentmesser in Form der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auch für Zwecke verwendet werden kann, die weit über die der Regelung von Kraftfahrzeugmotoren
hinausgehen. Beispielsweise können solche drehmomentanzeigenden Anordnungen zur
Kontrolle der Ausgangsleistung von Elektromotoren verwendet werden, die Maschinenanordnungen
antreiben, um auf diese Weise einen konstanten Drehmomentausgang zu erzeugen; weiterhin
ist es möglich, Motoren von Flugzeugen, aber auch von größeren Schiffen und dergl.
durch Messung des Drehmomentes zu regeln und einzustellen; Drehmomentmesser sind
auch noch für sehr viele andere Zwecke verwendbar. Allgemein gelingt es daher der
Erfindung, einen Drehmomentmesser zu schaffen, bei dem die Verdrehung einer leistungsübertragenden
Welle umgewandelt wird in lichtübertragende oder lichtreflektierende Änderungen;
diese Xnderungen des übertragenen bzw. reflektierten Lichtes dienen dann als Maß
für das von der Welle übertragene Drehmoment.
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Eine wichtige ueberlegung bei einem ein Lichtmodulationsschema verwendenden
Apparat zur Ableitung eines Drehmomentes ist darin zu
sehen, daß
sehr geringe Winkeländerungen als Folge der Wellenverdrehung abgetastet werden müssen.
So liegen beispielsweise im Falle von Antriebswellen bei Automobilen die dabei auftretehden
Drehmomente unter normalen Betriebsbedingungen im Bereich von etwa 7 mkg bis zu
maximal 70 mkg. Ein nutzbar einzusetzender Drehmomentmesser muß daher eine verbindliche
Messung bis hinunter zu etwa 1,3 mkg ermöglichen (10 ft.-lbs.). Der Betrag der Verdrehung
eines axial entlang der Welle von einem anderen Bereich getrennten Bereiches bzw.
einer solchen Zone, beispielsweise einer im Abstand von etwa 30 cm angeordneten
Zone, bei einem Drehmoment von 1,4 mkg liegt in der Größenordnung von 0,01 Grad.
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Bei den typischen, einen Durchmesser von 5 - 6,5 cm aufweisenden Kraftfahrzeugwellen
bedeutet diese Änderung in der relativen Position von zwei Oberflächenpunkten der
Welle, die axial um beispielsweise 30. cm entfernt sind, eine Änderung in der Größenordnung
von 2,4q10 4 cm. Daher muß jede, auf Licht oder Strahlung reagierende Anordnung,
welche die Aufgabe hat, Positionsveränderungen aufgrund einer Wellenverdrehung an
der Wellenoberfläche zu messen, in der Lage sein, äußerst geringe Bewegungen zu
erfassen. Die Erfindung ist in der Lage, eine Lichtmodulationsanordnung zu schaffen,
die sehr kleine Änderungen einer Wellenverdrehung genau und ununterbrochen mißt.
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Schließlich ergibt sich aufgrund des letzten Verwendungszweckes der
erfindungsgemäßen Vorrichtung die Forderung, daß zuverlässige und genaue Ausgangssignale
geliefert werden, wobei jedoch hinsichtlich der Kosten, insbesondere bei der Automobilindustrie,
beträchtliche Beschränkungen bestehen. Auch in dieser Hinsicht gelint es der Erfindung,
den Anforderungen zu entsprechen und eine Vorrichtung zur Anzeige eines Drehmomentes
zu schaffen, welche in der Lage ist, genaue bis äußerst genaue, stets Ubereinstimmende
und verwertbare Drehmomentdaten zu liefern, wobei die Vorrichtung trotzdem in der
Lage ist, zur kostensenkenden Herstellung in Massenproduktion gefertigt zu werden.
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Um sehr kleine Veränderungen der Wellenoberfläche in sinnvolle Rückführsignale
umzuwandeln, ist es weiterhin notwendig, schnelle, kleine Änderungen in der Größe,
d.h. in der Amplitude der reflektierten bzw. übertragenen optischen Signale abzutasten.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind an einer Zone der
Welle zwei Bänder bzw. Bandelemente vorgesehen, die die Aufgabe haben, in dieser
Zone Binärsignale zu erzeugen, die kombiniert werden mit gleichen, an einer anderen
Zone der Welle erzeugten Signale. Die Dualität solcher Signale erlaubt sehr hohe
Änderungsgeschwindigkeiten bei der Lichtaufnahme im Verlauf der Wellenumdrehung.
Wie weiter unten noch genauer erläutert wird, kann bei einer solchen Anordnung der
Punkt der Änderung als Schaltmechanismus verwendet werden, um impulsartige Signale
zu erzeugen, wobei die Impulse sehr schnelle Anstiegs-und und Abfaliszeiten aufweisen,fein
auf diesen Impulsen beruhendes bzw. solche Impulse verarbeitendes Rückkopplungssystem
sehr schnell anspricht.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daher die Einleitung
bzw. der Beginn und die Beendigung des einzelnen Impulses, der ja schließlich die
Impulsfolge ausmacht, eine Funktion der Veränderung der Strahlung, die von der sich
drehenden Welle reflektiert wird, so daß man zu einer Lichtmodulationsanordnung
mit einem Ausgangssignal gelangt, das die Form einer Impulsfolge aufweist.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel bewirkt eine Änderung des durch
einen geschlitzten Flansch übertragenden Lichtes Beginn und Ende der einzelnen Impulse,
wobei der Flansch auf der sich drehenden Welle befestigt ist; bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel werden die Signale binärer Art mit weiteren Signalen binärer
Art aus einer ähnlichen Anordnung an einer anderen Stelle
der Welle
kombiniert, wobei diese Stelle axial gegenüber der ersten Zone verschoben ist, so
daß man schließlich zu einem Ausgangssignal gelangt, das aus einer Vielzahl von
Impulsen besteht, wobei hierhei kombinierte Impulse erzeugt werden, die eine konstante
Impulshöhe, jedoch eine veränderliche Impulsbreite aufweisen.
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des Einezur Messung/von einer sich drehenden Welle übertragenes Dreh
geeignete Anordnung momentes/besteht also aus mindestens zwei Paaren optischerKanäle,
wobei jedes Paar ein Differenzsignal erzeugt, aus Schaltungsanordnungen, die die
beiden Differenzsignale kombinieren und eine elektrische Ausgangsimpulsfolge erzeugen,
bei der die Impulsbreite der einzelnen Impulse bestimmt ist von der Eigenart der
jeweilig kombinierten Differenzsignale und veränderlich ist als Funktion des von
der Welle übertragenen Drehmomentes und daher eln Maß für das Drehmoment selbst
darstellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird jedes Differenzsignal
für sich einer Schwellenwertanordnung, beispielsweise einem Schmitt-Trigger, zugeführt,
der Ausgang jedes Schmitt-Triggers ist mit dem Eingang einer logischen Gatterschaltung
verbunden, die Impulse variabler Breite erzeugt; bei einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung werden die von den beiden Bandpaaren erzeugten Differenzsignale direkt
den Eingängen einer Sc'hwellenwertanordnung zugeleitet, beispielsweise ebenfalls
einem Schmitt-Trigger, wobei der Ausgang eine Impuisfolge veränderlicher Impulsbreite
aufweist.
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Bei einem dritten Ausführungsbeispiel werden in den Differenzsignalschaltkreisen
noch Verstärkungsanordnungen verwendet. Die auf diese Weise erzeugte Impulsfolge
mit veränderlicher Impulsbreite wird schließlich einem zeitlichen Mittelwertbildner
und dann einer Multiplitierschaltung zugeführt, der ebenfalls noch
Informationen
über die jeweilige Drehzahl eingebbar sind, so daß eine Angabe über die Leistung
der Maschine gewonnen werden kann; schließlich ist es möglich, diese gewonnenen
Angabenüber die Leistungsabgabe und/oder das Drehmoment und/oder die Drehzahl noch
von einem Funktionsgenerator in komplexere polynomische Funktionen umzuwandeln.
Der Ausgang des Funktlonsgenerators kann dann seinerseits wieder mit Servoanordnungen
verbunden werden, die einen Kraftfahrzeugmotor oder eine sonstige primäre Antriebsquelle,
wie weiter unten noch genauer ausgeführt, in ihrem Betrieb regeln.
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Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in
diesen niedergelegt. Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Vortichtung anhand der Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig.
1 in Form eines Blockdiagramms in schematischer Form ein Kraftfahrzeug mit einer
Brennkraftmaschine, dem Vorrichtungen zur Bestimmung des übertragenen Drehmomentes
sowie der Drehzahl zugeordnet sind, Fig. 2 zeigt einen Teilbereich der die Leistung
des Motors übertragenden Welle, sowie die die Wellenverdrehung abtastenden optischen
Anordnungen, die aus zwei Paaren optischer Kanäle A-B C-D bestehen, die im Abstand
zueinander längs der Welle angeordnet sind, dabei besteht jedes Kanalpaar aus zwei
Seite an Seite angeordneten Bandelementen, die abwechselnd lichtabsorbierende und
lichtreflektierende Bereiche umfassen, Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie
3-3 der Fig. 2 in Richtung der entlang des Schnittes angegebenen Pfeile,
Fig.
4 zeigt eine Ansicht entlang der Linie 4-4 der Fig. 3, Fig. 5A zeigt in schematischer
Darstellung und teilweise in Form eines Blockdiagramms ein erstes AusfUhrungsbeispiel
zur Umwandlung einer Lichtmodulation der Drehzahl und Winkelgeschwindigkeit anzeigenden
Signale in elektrische Signale, Fig. 5B zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Fig.5A, Fig. 5C zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Fig. 5A, Fig. 5D zeigt ein Paar optischerKanäle in zwei verschiedenen Positionen,
wobei diese Kanäle in Verbindung mit der in fig. 5C dargestellten Schaltung verwendet
werden, Fig. 5E zeigt einen einzigen, von der Schaltung der Fig.
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5C erzeugten Impuls, und zwar aufgrund von Signalen, die aus den
optischen Kanälen der Fig.5D gewonnen wurden, Fig. 5F zeigt ein Impulspaar ähnlich
dem einzelnen Impuls der Fig. 5E, jedoch entwickelt von einer Schaltung, die durch
geringfügige Veränderung der Schaltung der Fig. 5C gewonnen wurde, Fig. 5G zeigt
eine Impulsfolge aus zwei Impulsen variabler Breite, die erhalten wird, indem man
die in Fig. SF dargestellten Impulse geeigneten Schaltungselementen der Schaltung
der Fig. 5C zuführt,
Fig. 6A zeigt in vergrößerter Darstellung
Bereiche bzw.
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Zonen auf der Welle, die lichtreflektierende und lichtabsorbierende
Bereiche aufweisen, und zwar in Form von Bandpaaren, die Fig. 6B, 6C, 6D, 6E, 6F
zeigen elektrische Signale in Form von Impulsrethen, die als Zustandsdiagramme zu
der in Fig. 5A dargestellten elektrischen Schaltung aufzufassen sind, die Fig. 6G
zeigt eine Impulsfolge variabler Breite, die aufgrund der in Fig. 5B dargestellten
SChaltung gewonnen werden kann, Fig. 7 zeigt in Form eines Blockdiagrammes einen
Funktionsgenerator, der in der Lage ist, eine Funktion der Form
zu erzeugen, Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel zur Gewinnung der optischen
Signale in Abwandlung der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, Fig 9A zeigt ein Paar optischer
Kanäle, die ein einziges Bandelement aufweisen, im Gegensatz zu den zwei in Fig.
2 verwendeten Bändern, wobei besondere Verhältnisse zwischen der Länge jedes optischen
Aufnahmeelementes der Kanäle und der Breite der abwechselnden absorbierenden und
iichtreflektierenden Bereiche bestehen, Fig. 9B zeigt einen Teilausschnitt des Bandes
der Fig.9A und einen Teil des mittels der Anordnung der Fig.
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gA erzeugten Impuls6,
Fig. 10 zeigt in Form einer
Tabelle die Zustände, die die in den Fig. 5A und 5C dargestellte logische Gatterschaltung
einnehmen kan, wenn das Gatter entweder ein Und-Gatter, ein Oder-Gatter, ein Nand-Gatter
(Nicht- tJnd-Gatter) oder ein Nor-Gatter (Nicht-Oder-Gatter) ist, und zwar als Funktion
des logischen Zustandes des das Gatter enthaltenden Systems, dabei bedeuten die
horizontalen Striche in der Tabelle kein Ausgangssignal des jeweiligen logischen
Elementes, während die Häkchen jeweils ein Ausgangssignal bedeuten.
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Fig. 11 eeigt die logischen Zustände bei Schwellenwertanordnungen,
bezogen auf die optischen Bandpaare A-B und C-D und die verschiedenen Zeitintervalle,
die diese Schwellenwertanordnungen in ihren jeweiligen logischen Zustande aufweisen;
bei den Schwellenwertanordnungen, die auf diese Weise dargestellt sind, handelt
es sich um die in den Fig. 5A und 5C gezeigten Schmitt-Trigger, Fig. 12 zeigt schematisch
in Form eines Blockdiagrammes eine Möglichkeit zur Verbindung der in den Fig.
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5A und 5C dargestellten Schmitt-Trigger, zur Durchffihrung der logischen
Funktionen einer logischen Gatterschaltung, ohne daß eine solche Gatterschaltung
verwendet wird, Fig. 13 zeigt in Form eines Blockdiagrammes eine Abänderung des
in Fig. 12 dargestellten Ausführungs 'beispieles,
Fig. 14 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der in Fig. 2 gezeigten Anordnung, Fig. 15 zeigt als
Teilausschnitt im vergrößerten Maßstab eine Darstellung entlang der Linie 15-15
in Fig. 14, Fig, 16 zeigt eine weitere Abwandlung der in Fig,8 dargestellten Anordnung,
während die Fig. 17 ein Flußdiagramm in Form eines Blockschaltbildes darstellt,
das die Wirkungsweise der in Fig. 16 gezeigten Anordnung angibt.
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Bevor auf strukturelle Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im folgenden genauer eingegangen wird, erscheint es empfehlenswert, in einer kurzen
einleitenden Diskussion zunächst klarzustellen, was durch die Erfindung erreicht
werden soll.
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Diese Diskussion beschäftigt sich hauptsächlich mit einer Regeleinheit,
die in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine bei einem Auto, und dies stellt das
bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, verwendet werden soll. Das Auto
bzw. Kraftfahrzeug wird dadurch gesteuert und beeinflußt, daß man durch geeignete
Servoanordnungen bzw. Regeischleifen Änderungen in der Menge des den Zylindern des
Motors zugeführten Brennstoffs vornimmt, weiterhin Änderungen in dem Brennstoffluftverhältnis
und/oder in der Vorzündung; dabei handelt es sich bei den Steuersignalen, die den
Servoanordllungen zugeführt werden, um mindestens ein Steuersignal, das abgeleitet
worden ist von der Le'istungsabge, von dem abgegebenen Drehmoment und der Winkelgeschwindigkeit
einer sich drehenden Welle, dessen Verdrehung eine Funktion der Leistungsabgabe
des Motors ist. Es kann sich bei diesen Steuersignalen auch um komplexere Funktionen
der soeben angegebenen drei Größen handeln, weiterhin werden noch Steuersignale
verwendet, die abgeleitet sind von der Leistung, die die Bedienungsperson abruft
sowie von einigen Regelanordnungen, beispielsweise einer Regelkontrolle für konstante
Drehzahl. Bei der hier in Frage kommenden sich drehenden Welle handelt es sich unmittelbar
um die Antriebswelle eines Kraftfahrzeugs. Bei den Meßwerten, von denen die Steuersignale
abgeleitet werden, handelt es sich üblicherweise um solche, die gewonnen werden,
indem man die winkelmäßige Verdrehung zwischen zwei zueinander im Abstand längs
der Welle angeordnete Bereiche vergleicht, diese Bereiche sind axial etwa in-der
Größenordnung von 15 bis 30 cm getrennt. Dies geschieht dadurch, daß man die Positionsänderungen
der Wellenoberfläche bei einem Bereich mit Bezug auf den anderen Bereich als Folge
einer
solchen Verdrehung aufnimmt. Die Wellenverdrehung ist eine
lineare Funktion des von der Welle übertragenen Drehmomentes und beträgt in dieser
Situation üblicherweise nicht mehr als 0,10 bei einer üblichen, etwa 5 cm Durchmesser
messenden Antriebswelle. Um nutzvolle Ergebnisse und eine einwandfrei arbeitende
Vorrichtung zu gewinnen, ist es deshalb notwendig, differentielle lineare Bewegungen
der Wellenoberfläche, die so gering wie 2,5 .10 -4 cm sind, zu messen und festzustellen.
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In der folgenden Erläuterung der Erfindung wird diese zunächst in
Verbindung mit einem Ausführungsbeispiel dargestellt, welches zwei axial über die
Welle, deren Verdrehung bemessen werden soll, verteilte Bänderpaare aufweist. Die
Bänder sind dbei so ausgelegt, daß sie in der Lage sind Strahlung zu reflektieren
und zu absorbieren; sie liefern daher, wenn die Welle sich dreht, Lichtsignale binärer
Art. Diese Lichtsignale treten aus den Bändern hervor bzw. rühren von diesen Bändern
her, und zwar in Form von Lichtimpulsen; diese Lichtimpulse bilden die Basis für
die elektrischen Signale8 aus denen das Drehmoment (und andere Daten) abgeleitet
werden. Dabei kann beispielsweise jedes Bandpaar aus einem photogeätztem, metallisiertem
Material bestehen, das an seiner Rückseite mit einem Klebstoff versehen ist. Wie
jedoch weiter unten noch genauer erläutert wird, können auch andere spezielle Ausführungsmöglichkeiten
des breiten Basiskonzepts der Erfindung verwendet werden. Obwohl sich also die nachfolgende
Erläuterung auf eine Vorrichtung bezieht, bei welcher die Lichtimpulse aus Licht
gebilde sind,welches abwechselnd von den jeweiligenBändern reflektiert und absorbiert
wird, können die Impulse beispielsweise auch von einem System herrühren, bei dem
das Licht abwechselnd übertragen und blockiert wird.
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Zum besseren Verständnis wird um folgenden kurz eine gesamte Ubersicht
der erfindungsgemäßen Konzeption angegeben. Die notwendigen
Regelfunktionen
werden abgeleitet, indem man das Drehmoment bzw. die Verdrehung der leistungsübertragenden
Weller wie bei 4'in den Figuren 1 bis 4 angegeben ist, man mißt weiterhin die Winkelgeschwindigkeit
dieser Welle und kombiniert diese beiden Messungen zur Erzeugung einer komplexen
Regelfunktion, beispielsweise einer polynomische Funktion der übertragenen Leistungswerte,
beispielsweise also in der Form
Es können auch andere Funktionen dargestellt werden. Weiterhin ist es möglich, daß
die Drehmoment- und Geschwindigkeitsmessungen selbst nutzbare Regelfunktionen ausüben
und einem Servosystem zugeleitet werden, das tatsächlich die Einstellung des Motors
vornimmt.
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Die folgenden Ausführungen beziehen sich zunächst auf die Gewinnung
von Drehmomentwerten.
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Wie in Figur 2 gezeigt, bestehen die das Drehmoment bestimmende Mittel
aus einem ersten Paar aneinandergrenzender ringförmiger Bänder 100, die um die Welle
4, wie in Figur 3- gezeigt, an einer ersten .Zone gelegt sind, sowie aus einem zweiten
Paar aneinandergrenzender ringerförmiger Bänder 101, die, wie in Figur 2 gezeigt,
an eine.r zweiten zone um die Welle gelegt sind. Die beiden Zonen sind üblicherweise
um etwa 15 bis 30 cm im Abstand zueinander gehalten, wobei der Anteil differentieller
Bewegung der Wellenoberfläche zwischen den beiden Zonen als Folge einer Verdrehung
normalerweise im Bereich von 2,5.10 2 bis 2,5.10 4 cm bei'einer Antriebswelle für
ein Kraftfahrzeug liegt. Es ist daher offensichtlich notwendig, um überhaupt sinnvoll
auszunutzende Regelsignale zu erhalten, sehr kleine Verdrehungen der Welle 4 zu
messen Um dies durchzuführen wird gemäß einem Merkmal der vorliegenden Erfindung
Strahlungsenergie auf die oder Zonen beiden im Abstand angeordneten Bereiche/gerichtet
und abgetastet, wobei die Größe jeder auf eine Verdrehung der
Welle
zurückfzuführende Änderung in dem strahlungsverlauf, wenn die Welle sich in Richtung
des Pfeiles H' verdreht, festgestellt wird. Die Strahlungsenergie stammt dabei von
der bei 102 in Figur 3 dargestellten Lichtquelle, die eine Lampe, eine lichtemittierende
Diode oder etwas ähnliches sein kann, und die die Lichtenergie entweder direkt oder
über lichtleitende Röhren 10 und 11, beispielsweise faserop-tische Elemente, die
im Querschnittsbereich zwischen 0,025 bis 0,0025 cm liegen können, den einzelnen
Teilelementen 14 und 15 des Bandpaares 10Q zuleitet. Jedes dieser einzelnen bandförmigen
Teilelemente 14 und 15 ist aus abwechselnden Bereichen zusammengesetzt, beispielsweise
die auf dem Bandelement 14 mit 32 und 33 bezeichneten Bereiche, die unterschiedliche
lichtreflektierende und lichtabsorbierende Eigenschaften aufweisen, d.h.,daß der
Bereich 32 Lichtenergie hauptsächlich absorbiert und der Bereich 33 Lichtenergie
hauptsächlich reflektiert; diese Bereiche grenzen unmittelbar ahdie Bereiche des
anderen Bandteilelementes an, die mit 42und 43 auf demBandelement 15 bezeichnet
sind. Dabei weisen die Bereiche des Bandelementes 15 entgegengesetzte Eigenschaften
auf, d.h., daß die lichtabsorbierenden Bereiche 32 und 43 jeweils der Bandelemente
14 und 15 unmittelbar angrenzen an lichtreflektierende Bereiche 42 und 33 wieder
jeweils der Bandelemente 15 und 14.
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Die dem Bandpaar 100 zugeordnete Strahlungsquelle 102 richtet ihre
Strahlung entweder direkt oder über lichtführende Röhren lO und 11 auf jedes Bandelement
des Bandpaares 100. Weiterhin sind strahlungsaufnehmende Anordnungen dargestellt,
die aus einem weiteren Paar von lichtführenden Röhren 104 und 105 bestehen; dabei
ist das eine Ende der lichtführenden Röhre 104 so angeordnet, daß es jedes von dem
Bandelement 14 reflektierte Licht aufnimmt, während das Ende der anderen Röhre 105
so angeordnet ist, daß es jedes von dem anderen Bandelement 15 reflektierte Licht
aufnimmt. Die lichtführenden Röhren 104 und 105 weisen weiterhin lichtempfindliche
Dioden oder sonstige Detektoranordnungen
D1 und D2 auf, deren
Querschnittsabmessungen mit den Querschnittsabmessungen der zugeordneten lichtführenden
Röhren vergleichbar sind und die jeweils am anderen Ende der lichtführenden Röhre
gegenüber dem Lichtaufnahmeende angeordnet sind. Die Detektoranordnungen D1 und
D2 können so betätigt werden, daß sie ein elektrisches Signal erzeugen, welches
als Funktion der Amplitude des durch die zugeordnete lichtführende Röhre übertragenen
Lichtes eine Veränderung erfährt. Die lichtführenden Röhren werden dabei von einem
Bauelement 8 in Position gehalten. Auch das zweite Bandpaar 101 verfügt über die,
soeben im einzelnen mit Bezug auf das Bandpaar 100 beschriebenen Elemente. Kurz
gesagt, umfaßt das zweite Bandpaar 101 Bandelemente 16 und 17, lichtführende Röhren
104' und 105' sowie Detektoranordnungen D3 und D4 und ein Bauelement 9. Die jedem
Bandpaar zugeordneten Aufnahmeanordnungen erzeugen ein Nettoausgangssignal, welches
als Regelsignal in der Form einer Impuls folge mit in ihrer Höhe festgelegten Impulsen
38' und 39' , wie in den Figuren 6D und 6E gezeigt, zur Auswirkung kommt. Die Impuls
folgen der beiden Bandpaare werden miteinander kombiniert und ergeben als Produkt
die Ausgangsimpulsfolge 40, wie in Figur 6F dargestellt, dabei ist die Impulsbreite
jedes Impulses 40 bezogen auf den Verdrehungswinkel # (bzw. auf das Drehmoment)
der Welle zwischen den axial zueinander getrennten ersten und zweiten Bandpaaren.
Damit man Schaltzeiten in der Größenordnung von 10-1 Mikrosekunden gewinnt, damit
sinnvolle Signale erhalten werden können, müssen die Impulsflanken der Impulse 38',
39' und 40' sehr steil sein, d.h. es müssen äußerst kurze Anstieg- und Abfallzeiten
vorliegen, die bestimmt werden von dem mit58 bezeichneten Winkel., der den Anstieg
der Nettoausgangsdifferenz des Primärsignals jedes Diodenpaars darstellt.
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Der Winkel 9 ist für das gezeigte Diodenpaar größer als er es für
eine einzige Diode sein würde und ist darüberhinaus beeinflußt von den Querschnittsabmessungen
der jeweiligen Diode und den Diodenkonstanten. Darüberhinaus sind die Impulse40',
wie
aus den Erläuterungen hervorgeht, abgeleitet aus zwei Reihen von Differenzsignalen
( nämlich den primären Differenzsignakn 36 und 37 und dem Differenzsignal, das erhalten
wird, wenn die Impulsfolgen38 und 39 kombiniert werden), wobei jede Reihe auf die
Verringerung der Anstiegs- und Abfall-zeiten der Impulse 40' einwirkt.
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In der folgenden Erläuterung werden vier, als A, B, C und D bezeichnete
optische Kanäle verwendet. Diese Kanäle A, B, C und D sind gebildet jeweils aus
den lichtmodulierenden Elementen, die bestehen aus den Bändern 14, 15, 16 und 17
und den ihnen zugeordneten Lichtsensoren und lichtführenden Röhren. Jeder optische
Kanal erzeugt ein Signal binärer Art in Form eines zerhadten Strahls, daher ist
das Signal des Kanals A gebildet von abwechselnd reflektierter und absorbierter
Strahlung aus den Bereichen des Bandelements 14, wie weiter oben schon erwähnt,
wodurch ein Binärsignal erzeugt wird. Dieses binäre Lichtsignal wird in jedem Augenblick
von dem zugeordneten lichtempfindlichen Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Das von dem optischen Kanal A erzeugte elektrische Signal wird mit dem in ähnlicher
Weise gebildeten Signal des optischen Kanals B gemischt und ergibt ein primäres
Differenzsignal 36, wohingegen das elektrische Signal des optischen Kanals C vermischt
mit dem elektrischen Signal des optischen Kanals D ein weiteres primäres Differenzsignal
37 ergibt. In dem Ausführungsbeispiel der Figur 5A sind diese primären Differenzsignale
36 und 37 jeweils mit Schmitt-Triggern 22 und 23 verbunden; die Schmitt-Trigger
22 und 23 sind so eingestellt und geregelt, daß eine Polaritätsänderung an ihren
Eingängen (beispielsweise die Differenz der primären Signale 36 und 37) den jeweiligen
Schmitt-Trigger dazu veranlaßt, aufeinanderfolgend einen Impuls zu bilden, so daß
eine Impulsfolge erzeugt wird. (Dabei erzeugt der Schmitt-Trigger 22 die Impuls
folge 38 und der Schmitt-Trigger 23 die Impulsfolge 39). Diese beiden Impulsfolgen
werden dann
einer logischen Gatterschaltung 26 zugeführt und bilden
eine Ausgangsimpulsfolge 40, die bei weiterer Verarbeitung ein Rückführsignal erzeugt.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 5B werden die elektrischen Signale in der
gleichen Weise erzeugt und verarbeitet, wie soeben erläutert, jedoch einem einzelnen
Schmitt-Trigger zugeführt. Auf jeden Fall befindet sich die gegebenenfalls erzeugte
Ausgangsimpulsfolge in einer solchen Form, daß sie eine feste Impulshöhe, jedoch
eine veränderliche Impulsbreite aufweist, also Spannungsimpulse in. Form einer Impulsfolge
darstellt, die zu Regelzwecken gemittelt ist. Im folgenden wird in genauer Erläuterung
auf die Vorrichtung eingegangen, die in der Lage ist, die bisher erläuterten Funktionen
zu erfüllen.
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Die in Figur 5A gezeigten Dioden D1 und D2 sind so miteinander verbunden,
daß ihre Ausgänge VA und VB voneinander subtrahiert werden, wobei das Nettodifferenzsignal
einem Differentialverstärker 20 zugeführt wird, um das in Figur 6B dargestellte
primäre Ausgangssignal 36 zu erzeugen, welches eine Differenz in der reflektierten
Strahlung der Bandelemente 14 und 15 anzeigt.
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Dabei sind zwei Filter 500 und 501 verwendet, um unerwünschte Rauschgeräusche
auszufiltern. Der Ausgang des Differentialverstärkers 20 ist als Eingang mit einem
Impulsgenerator 22 verbunden, der ein Schmitt-Trigger, wie dargestellt, sein kann
oder ein bistabiler Multivibrator oder eine andere, auf einen Schwellenwert reagierende
Anordnung. Auf diese Weise wirkt das Nettoausgangsdifferenzsignal als Regelsignal
auf den Schmitt-Trigger 22, um diesen Schmitt-Trigger aus einem Zustand in den anderen
zu schalten, wenn das Nettoausgangsdifferenzsignal seine Polarität wechselt, d.h,
jeweils bei den Nulldurchgängen tl, t2, t3 usw., wie in Figur 6B dargestellt, wodurch
eine Impulsfolge 38' gemäß Figur 6 D mit festen Impulshöhen erzeugt wird.
-
Der Schmitt-Trigger erzeugt auch Impulse, die beträchtlich geringere
Anstiegszeiten aufweisen als die inFigur 6B und 6C gezeigten, direkt am Ausgang
des Differentialverstärkers bzw.
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Operationsverstärkers 20 erzeugten Primärsignale. Sehr kurze Anstiegs
zeiten erlauben eine äußerst genaue Wirkungsweise der gesamten Anordnung. In ähnlicher
Weise sind die Ausgänge Vc und VD der Dioden D3 und D4 mit einem Differentialverstärker
21 verbunden, der seinerseits als Aussteuerung für einen Impulsgenerator 23 (in
den Zeichnungen wiederum als Schmitt-Trigger dargestellt) wirkt, wobei Polaritätsänderungen
des Nettoausgangsdifferenzsignals 37 der Dioden D3 und D4 wiederum abwechselnd in
der Weise wirken, daß sie Impulse 39' eines Impulszuges 39 mit festen Impulshöhen,
wie in Figur 6E dargestellt, erzeugen.
-
Der Ausgang der Impulsgeneratoren 22 und 23, d.h. der Schmitt-Trigger
22 und 23, ist als Eingang mit einer logischen Gatterschaltung 26 verbunden, was
zu einer Ausgangsproduktimpulsfolge 40 in Figur 6F führt. Die Produktimpulsfolge
40 besteht aus Impulsen 40' veränderlicher Breite, wie schon erwähnt, wobei die
Breite jedes Impulses bezogen ist auf denVerdrehungswinkel 8 der Welle zwischen
den axial voneinander getrennten ersten und zweiten Bandpaaren 100 und 101. Die
logische Gatterschaltung 26 in der Anordnung in Figur 5 arbeitet dabei in einer
sogenannten Multiplier-Funktion, d.h. sie wirkt multiplikativ.
-
In Figur 5C ist eine ausführlichere Schemazeichnung zur Gewinnur nung
einer Impuls folge aus/einem Paar optischer Kanäle dargestellt. Um ein Drehmoment
on 6,9 mkg (entsprechend 50 ft.lbs.
-
of torque) an einer Antriebswelle mit einem äußeren Durchmesser von
etwa 6 cm (2,4 inch) und einem inneren Durchmesser von etwa 5 cm (2,0 inch) mit
einem Elastizitätsmodul von 1,7.109 2 pounds/ft. zu messen, ist es notwendig, einen
Verdrehungswinkel von annähernd 3,5.10 4 Radiant bzw. Bogeneinheit zu messen, wobei
dieser Verdrehungswinkel auftritt zwischen zwei axial auf der Welle zueinander in
einem Abstand von 30 cm gehaltenen Punkten. Dies würde eine Pulsbreitenmodulaton
von
annähernd 9,2.10-4 cm bedeuten. Falls Änderungen in der Impulsbreite
von 1:1000 gemessen werden müssen, dann muß ein Impuls begonnen und beendet werden,
bei einer Oberflächenumdrehung der Welle von annähernd 2,5.10 1 cm. Daher müssen
die Breiten der absorbierenden Bereiche 32, 33, 32', 33' der Bänder 100 und 101
eine Breite von der Größenordnung von 2,5.10-¹ cm aufweist. Die Herstellung solcher
Bänder könnte zu unzulässigen Herstellungskosten führen. Daher sind in dem in Figur
5C Mittel dargestellten Systems uberlegenerezur Erzeugung sowohl scharfer als auch
enger Impulse beschrieben. Um dieses System zu verstehen sind Einzelheiten der ImpuM
eFrzeug« gstechnik in Figur 5C beschrieben. Ein Bandpaar 697/enthält ein Paar optischer
Kanäle, die wiederum als Kanal A und als Kanal B bezeichnet sind, und besteht aus
abwechselnd reflektierenden und absorbierenden Bereichen 702, 703, 705 und 704,
wie weiter vorn schon erläutert.
-
Lichtempfindliche Anordnungen 700 und 701 tasten den auf sie übertragenen
Lichtanteil entweder mittels Reflektion (wie hier gezeigt) oder entsprechend einem
anderen Ausführungsbeispiel und Verwendung eines übertragenen Signales ab. Das Ergebnis
der Lichteinwirkung bei der Anordnung 700 ist mit VA und bei der Anordnung 701 mit
VB bezeichnet. Der Lichtausgangswert ist dem Beleuchtungsmaß proportional. Der Ausgang
der Photozelle 700 kann angenommen VO (1-XX) = VA und der Ausgang der X1 Photozelle
701 zu Vox = VBt wobei X1 die Breite der Photozellen 700 und 701 ist (beispielsweise
Xl-XO). Sowohl VA und VB sollen hier als Zo angenommen werden. Der Wert VB wird
einem Verstärker bzw. einem Dämpfungsglied mit der Verstärkung gB, wie bei 800 in
Figur 5C dargestellt, zugeführt, das primäre Differenzsignal Sl=VA-gBVB wird dann
dem mit A-1 bezeichneten Operationsverstärker zugeführt. Dann muß der Abstand X
den die mit 706 bezeichnete Kante oder Grenze zwischen einem absorbierenden Bereich
703 und einem reflektierenden Bereich 702 (bzw. zwischen den Bereichen 704 und 705)
bildet, sich nach links bewegen,
damit VA ggVg = 0 und
wird. Je größer gB ist, um -so kleiner wird XO. sie scnaitung kann so sein, daß
ein Null des Ausdrucks VA- gBVB bei X einen Impuls des bei 802 0 in Figur 5C gezeigten
Schmitt-Triggers veranlassen kann. Sowie sich die Grenze 706 an Xo vorbeibewegt,
verbleibt VA-gBVB negativ, bis die nächste, mit 707 bezeichnete Grenze an den Photozellen
vorbeiläuft.Als nächstes sei das Primärsignal S2=gAVA - VB betrachtet, daß man erhält,
indem man VAin einen Verstärkerbzw. in ein Abschwächglied 803 eingibt.Dieses Signal
wird dem Operationsverstärker A-2 zugeführt, wobei gAVA VB ein Null bei einem Xo
von
hat.
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Je größer gA ist, um so näher nähert sich die mit 706 bezeichnete
Grenze der linken Kante der Photozellen an, wenn dem Schmitt-Trigger 802 ein weiterer
Nullwert (d.h. Nulldurchgang) zugeführt wird, wobei der Schmitt-Trigger in der Lage
sein muß, einen Polaritätswechsel jedes ihm zugeführten Signals zu erfassen. Dies
gelingt dadurch, daß man die Ausgänge der Verstärker A-1 und A-2 mittels einer Multiplizierschaltung
208 multipliziert und sie dann dem Schmitt-Trigger 802 zuführt.
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Am Punkte Xo ist der bei 708 in Figur 5E gezeigte Impuls, der bei
XO begann, beendet. Die Impulsbreite im Raumbereich beträgt:
Die Impulsbreite ist daher durch Veränderung der Verstärkungen 4A und gg einstellbar.
Darüberhinaus wird, wenn die Grenze 706 an den Photozellen 700 und 701 (bzw. an
den lichtführenden Röhren 700 und 701), an denen die Photozellen befestigt sind,
vorbeiläuft, ein vollständiger Impuls erzeugt. Seine Breite hängt lediglich von
den Verstärkungen gA und gB und der Breite X1 der Elemente 700 und 701, jedoch nicht
von den Breiten der Bereiche 702, 703, 704 und 705 ab.
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Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist die große Unempfindlichkeit
der Impulsbreite X auf Schwankungen bVA und sVB im 0 Photozellenausgang.Beispielsweise
wird die Position X , an welcher der Impuls eingeleitet wird, zu einer neuen Position
XO verändert, die sich von XO durch folgende Formel unterscheidet
Diese Differenz kann daher zu einem sehr kleinen Bruchteil der Nettospannungsschwankung
iVA -6V gemacht werden. In ähnlicher Weise kann der Punkt XO stabilisiert werden,
was zu einer sehr genauen Impulsbreite Xo - XO führt.
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Die Ausführungen in dem vorhergehenden Absatz beschreiben die Erzeugung
einer Impuls folge durch ein Paar optischer Kanäle A und B. Ähnliche Mittel werden
verwendet, um eine zweite Impulsfolge durch ein zweites Kanalpaar C und D zu erzeugen,
die einem axial von den Kanälen A und B getrennten Punkt in der leistungsübertragenden
Welle, wie weiter vorn schon erläutert, zugeordnet sind. Die entsprechenden Schaltkreise
801', 802s usw. erfüllen die gleiche Funktion, wie die Schaltungen 801, 802, d.h.
sie erzeugen primäre Signale S; = Vc - 4D VD und 2 C C VD.
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Auf diese Weise kann ein Impuls ähnlich dem Impuls 708 gebildet und
beide Impulse der logischen Gatterschaltung 26 zugeführt werden, um Impulse mit
variabler Impulsbreite entsprechend den Impulsen 40' zu erzeugen.
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In der nachfolgenden Erläuterung ist der Zustand, daß die den Kanälen
A und B zugeordnete Schwellenwertanordnung einen Impuls eingeleitet hat,mit 1 bezeichnet,
und der Zustand, daß der Impuls beendet ist mit 0 dargestellt. In ähnlicher Weise
ist die
Gegenwart eines Impulses aus den Kanälen C und D dargestellt
durch eine 1 und seine Abwesenheit durch eine 0. Die vier möglichen, kombinierten
Zustände sind 00, 01, 10 und 11, wobei das erste Digit des Paares jeweils den Zustand
der Kanäle A-B und das zweite Digit den Zustand der Kanäle C-D spezifiziert.
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Die vier logischen Elemente, die den zusammengefaßten Zuständen der
kombinierten Kanalpaare entsprechen, sind in der Tabelle in Figur 10 dargestellt.Wie
Figur 6A entnommen werden kann, werden Impulse von den Kanälen A-B bei tl, t3, t5
usw. eingeleitet und bei t2 , t4, t6 usw. beendet; von dem Kanalpaar C-D werden
Impulse bei tl , t3 , t; usw. eingeleitet und bei . . .
-
t2 , t4 , t6 beendet. In Figur 11 ist der Zustand des kombinierten
A-B / C-D -Systems bei einem Zeitverlauf von vor t bis nach t4 dargestellt. Daher
ergibt ein UND-Gatter einen Ausgangswert zwischen t und t2, zwischen t3 und t4 usw.
Wie weiter unten noch genauer ausgeführt wird, erzeugt ein solches UND-Gatter eine
Impulsfolge, deren Impulse entsprechend der Verdrehung der Welle moduliert sind.
Ein ODER-Gatter erzeugt ' ' Impulse während der Dauer tl-t2 ,t3-t4 usw. Ein sogenanntes
NAND-Gatter (Nicht-Und-Gatter) erzeugt Impulse während der Dauer to-t1 , t2-t3 usw.
Ein NOR-Gatter (icht-Oder-Gatter) erzeugt Impulse während der Dauer t0- tl, t2 t
t3. usw. Sämtliche dieser Impulse hängenlinear von der Verdrehung der Welle ab.
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Daher kann die logische Schaltung, wie sie in Figur 5A und 5C bei
26 dargestellt ist, ein UND- ODER-,NAND oder ein NOR-Gatter sein. Die Funktion der
logischen Gatterschaltung 26 kann auch noch auf andere Weise durchgeführt werden.
um eine Impulsfolge in Figur 5G zu erzeugen, deren zeitlicher Mittelwert linear
von der Verdrehung der Welle abhängt. In diesem Falle werden die Ausgänge der Verstärker
A-1 und A-2 miteinander multipliziert, wobei das Produkt seine Polarität ändert,
wann immer einer der Faktoren seine Polarität ändert. In ähnlicher Weise ' werden
die Verstärkerausgänge A-1 und A-2 miteinander multipliziert.
Diese
Funktionen werden dann, wie in den Figuren 12 und 13 dargestellt, verwendet. In
Figur 13 leiten die Schalter 850 und 851 aufeinanderfolgende Polaritätswechsel des
Primärsignales abwechselnd Schmitt-Triggern 802 und 802'zu, die Impuls folgen 852
und 853 erzeugen, deren Impulse 854 und 855 in der Impulsbreite moduliert sind von
der Verdrehung der Welle. Eine oder beide der Impuls folgen 852 und 853 können zeitlich
gemittelt werden, um ein Signal zu erzeugen, daß dem Drehmoment proportional ist.
In Figur 13a leitet ein Polaritätswechsel des Produktes A-1.A-2 jeweils einen Impuls
bei einer einzigen Schwellenwertanordnung 860 ein, wenn nicht schon ein Impuls vorhanden
ist, während ein Polaritätswechsel des Produktes A-l.i und A-2' jeweils einen Impuls
beendet, wendein Impuls vorhanden ist. Die sich ergebende Impulsfolge 862 besteht
aus Impulsen 861, deren Breite vom Drehmoment moduliert ist und wobei der zeitlich
Mittelwert dieser Impulsfolgen proportional dem Drehmoment ist.
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Es ist aus dieser Erläuterung verständlich, daß eine Vielzahl von
Konfigurationen möglich ist, die Schalter und Zwischenverbindungskombinationen verwenden,
was stets zu einem Signal führt, dessen zeitlicher Mittelwert linear von dem Drehmoment
abhängt. In der Schaltung der Figur SB sind die Elemente, die gleiche oder ähnliche
Funktionen wie entsprechende Elemente in anderen Schaltungen durchführen, mit dem
gleichen Bezugszeichen versehen. Unter Verwendung der Schaltung der Figur SB ist
es möglich, die bei 41 in Figur 6G gezeigte Impulsfolge veränderlicher Breite zu
erzeugen. Die Ausgänge der Verstärker 20 und 21 in Figur 5B sind als Eingänge einem
einzigen Schmitt-Trigger 22 zugeführt. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 22' weist
die Form in ihrer Breite variabler Impulse auf, die die Impulsfolge 41 bilden.
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In der bisherigen Erläuterung wurde ein Drehmomentmesser beschrieben,
dessen Ausgang selbst dazu verwendet werden kann,
nutzvolle Daten
und Informationen zu liefern und Regelf.unktlonen bei Brennkraftmaschinen oder anderen
Arten primärer Antriebsmotoren durchzuführen. In den folgenden Ausführungen werden
weitere Erläuterungen des Drehmomentmessers angegeben, gleichzeitig aber auch die
Wichtigkeit schnellen Schaltens der verschiedenen gepulsten Ausgänge genauer erläutert.
Zunächst wird jedoch eine kurze Beschreibung der mit der Regelung des Kraftfahrzeuges
befaßten Gesamtvorrichtung mit Bezug auf Figur 1 angegeben, in welcher der Drehmomentmesser
mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist. Der Ausgang des Drehmomentmessers 6 wird in
einer Multiplizieranordnung 7 mit dem Ausgang einer die Winkelgeschwindigkeit bestimmenden
Anordnung 5 kombiniert, um ein Ausgangsleistungssignal zu liefern, welches über
eine Servoranordnung 29 auf Betriebsparameter 2 einwirkt, die, wie weiter vorn schon
erwähnt, Mittel darstellen können zur Kontrolle der Brennstoffzufuhr, des Brennstoff
luftverhältnisses und der Vorzündung. Die Eingänge der Multiplizieranordnung 7 sind
mit 18 und 19 und der Ausgang mit 19' bezeichnet. Der Ausgang 19' kann direkt mit
der Servoanordnung 29 oder, wie in Figur 1 gezeigt, über einen Regelfunktionsgenerator
320 und dann mit der Servoanordnung 29 verbunden sein. Auf diesen im Detail in Figur
7 dargestellten Regelfunktionsgenerator wird weiter unten noch eingegangen. In Figur
5A ist die die Drehzahl anzeigende Anordnung ebenfalls dargestellt, sie schließt
einen monostabilen Impulsgenerator 24 ein, der so angeschlossen ist, daß ihm der
Ausgang des Differentialverstärkers 21 zugeführt ist, weiterhin ist eine die Zeit
mittelnde Anordnung 25 vorgesehen, die mit der Multiplizieranordnung 7 verbunden
ist. Die logische Gatterschaltung 26 ist ebenfalls über eine die Zeit mittelnde
Anordnung 27 mit der Multiplizieranordnung 7 verbunden. Die Schaltung der Figur
5A zeigt zwar den Verstärker 21 in dem Schaltkreis des Drehmomentmessers, es versteht
sich jedoch, daß der Verstärker 21 einer doppelten Funktion dient und gleichfal
Ls
auch Teil der die Drehzahl anzeigenden Anordnung 5 ist.
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Der Ausgang des Drehmomentmessers 6 und der die Drehzahl messenden
und anzeigenden Anordnung 5 können, wie erwähnt, über die Multiplizieranordnung,
oder sie können, wie in Figur 1 ebenfalls gezeigt, direkt Servoanordnungen 30 und
31 zugeführt werden, um Regelfunktionen auszuüben. Darüberhinaus ist es möglich,
die Ausgänge der beiden Meßeinrichtungen, des Drehmomentmessers und der die Drehzahl
anzeigenden Anordnung über den schon erwähnten Funktionsgenerator 320, wie in Figur
5A angezeigt, mit den jeweiligen Servomechanismen zu verbinden, dabei stellt der
Ausgang des Funktionsgenerators in jedem Falle eine komplexe polynomische Funktion
der Eingangs funktion dar. Auf jeden Fall wirkt ein von dem Funktionsgenerator verarbeitetes
Signal in der Weise, daß es einen Antriebsmotor, beispielsweise die in Figur 1 mit
3 bezeichnete Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges 1 in ihrem Betrieb regelt.
-
In Figur 6A ist in vergrößerter Darstellung ein Teilbereich der Welle
4 gezeigt, und zwar hauptsächlich, um die zu den Figuren 6B bis 6F gehörenden Erläuterungen
verständlicher zu machen und zu erleichtern. Die Bandelemente i4, 15, 16 und 17
in Figur 6A bestehen aus Bereichen 32,die Licht absorbieren und aus angrenzenden
Bereichen 33, die Licht reflektieren, wie weiter vorn schon erwähnt, wobei die reflektierte
Strahlung aufgenommen und einem lichtempfindlichen Detektor, beispielsweie Dioden,
zugeführt wird, wie ebenfalls schon erwähnt, über lichtleitende Aufnahmeröhren 104
und 105 im Falle der Bandelemente 14 und 15 und über weitere lichtleitende Aufnahmeröhren
104' und 105' im Falle der Bandelemente 16 und 17. Figur 6zeigt den ersten Bandbereich
100, der die Bandelemente 14 und 15 und die zugeordneten lichtführenden Röhren 104
und 105 umfaßt, ebenso wie den zweiten Bandbereich 101, der die Bandelemente 16
und 17 und die ihnen zugeordneten lichtführenden Röhren 104s und 105' umfaßt; diese
Anordnungen bilden insgesamt die optischen Kanäle
A,B,C und D
aus. In Figur 6A sind die den lichtführenden Röhren zugeordneten Detektoren nicht
dargesellt,die Bewegungsrichtung der Bandelemente mit.Bezug auf die stationären
optischen Elemente 104, 105, 104' und 105' (d.h. auf die lichtführenden Röhren)
ist durch den Pfeil H' angegeben. Die in den Figuren 6B bis 6F dargestellten Impulsfolgen
entstehen, wenn die in Figur 5A beschriebene Schaltung verwendet wird. Wenn die
Grenze bzw.
-
der bei 34 gezeigte Randbereich zwischen den reflektierenden Bereichen
33 und den absorbierenden Bereichen 32 des Bandelementes 14 an den optischen Elementen
vorbeiläuft, wird das Signal 36 (d.h. VA- VB) wie in Figur 6B gezeigt, von den Kanälen
A und B erzeugt. Dieses Signal bzw. diese Impuls folge geht bei tl durch Null und
erzeugt bzw. leitet einen Impuls 38' in Figur 6B ein und beendet diesen Impuls 38'
bei t2. Die Impulsbreite ist primär bestimmt von der Breite W' der reflektierten
bzw. absorbierenden Bereiche des jeweils zugeordneten Bandelementes. Der zweite
Bandbereich 101, der die Bandelemente 16 und 17 enthält, ist so positioniert, daß
die mit 34' bezeichnete Grenze ( und die der Grenze 34 bei nicht unter Spannung
stehender Welle entspricht) dann, wenn die Welle nicht unter Spannung stehen würde,
auf die mit 35 bezeichnete Position fallen würde; bei einem auf der Welle liegendem
Drehmoment bewegt sich jedoch diese Grenze auf die Position 34', wie in Figur 6A
dargestellt.
-
Das von dem zweiten Bandbereich 101 erzeugte Signal 37 ist in Figur
6C dargestellt. Würde keine Verdrehung der Welle vorliegen, dann würden die Nulldurchgänge
des primären Signals 37 zu den Zeiträumen tl und + auftreten. Die Verschiebung der
Grenze von 35 auf 34'verschiebt jedoch diese Nulldurchgänge auf tl und t2, . Die
entsprechenden Impulse 40' in Figur 6F sind daher ebenfalls verschoben. Das Ausgangs
signal einer logischen UND-Schaltung 26 ist dann in Figur 6F dargestellt, die Impuls
folge 40 ist die esultierende der Eingangsimpulsfolgen 38 und 39 in die logische
UND-Schaltung, wie weiter vorn schon erläutert. Die Impulsbreite der Impulse 40'
im Zeitbereich t2 bis tl ist daher, wie klar erkennbar, aufgrund
der
Verdrehung der Welle geändert worden, und zwar von dem Wert t2- tl, der im Falle
des Drehmomentes Null vorliegen würde.
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Die relative Verschiebung zweier-Punkte auf der Oberfläche einer Kraftfahrzeugs
antriebswelle verändert sich um annähernd 2,5.10 -4 cm für ein Drehmoment im Bereich
von etwa 1,38 mkg (10 ft.lb.range) bis auf 2,5.10 2 cm im Bereich eines Drehmomentes
von etwa 70 mkg (500 ft.lb.range). Daher treten entsprechende Änderungen in der
Impulsbreite am Ausgang der logischen Gatterschaltung auf, die sich in diesem Zeitbereich
ergeben. Wenn Veränderungen im Verhältnis 1:1000 noch mit Zuverlässigkeit gemessen
werden sollen, dann muß die Breite W' der cm Bereiche 32, 33 und 32', 33' annähernd
2,5.10 -1 cm sein, wie weiter vorn schon erläutert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung eines impulsmodulierten Signales
ist die, daß man, wie weiter vorn ebenfalls schon erläutert, beide Signale VAVB
und VcVD in einen einzigen Schmitt-Trigger einspeist, der so eingestellt ist, daß
er bei aufeinanderfolgenden Polaritätsänderungen in den Signalen VA - VB und VC
V VD Impulse konstanter öhe beginnt und beendet, d.h., daß der Schmitt-Trigger,
wie mit Bezug auf die Figur 5B weiter vorn schonerläutert, so arbeitet, daß er bei
einem ersten Null-Durchgang von VAVB und dann bei einem Null-Durchgang von VC-VD,dann
wieder beim Null-Durchgang von VAVB usw. anspricht. Wenn man eine solche Schaltung
verwendet, dann entspricht die von diesem Impulsgenerator erzeugte Impulsfolge 41
der in Figur 6G dargestellten. Die Impulsbreiten t1 - t;, t2 t2 selbst sind linear
auf die Verdrehung der Welle bezogen, so daß der zeitliche Mittelwert der Impuls
folge 41 direkt dem die Welle belastenden Drehmoment
entspricht.
Das bedeutet, daß eine solche Art der Impulserzeugung einen Schmitt-Trigger und
die logische Gatterschaltung 26 überflüssig macht. Der zeitliche Mittelwert, der
sich als Ausgang bei der Impulsfolge 41 ergibt,, wird in ähnlicher Weise wie der
zeitliche Mittelwert der Impuls folge 40 verwendet.
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Indem man diese Erläuterungen im Gedächtnis behält, ist es auch möglich,
ein ähnliches Impulserzeugungsschema anzuwenden, wenn die Verstärkungsanordnungen
800, 803, 800' und 803' der Figur 5C in einem geringfügig zu der Anordnung der Figur
5C veränderten Schaltkreis verwendet werden. Hierbei wird ein Schmitt-Trigger verwendet,
der in geeigneter Weise geschaltet ist, so daß ein Polaritätswechsel in den von
dem ersten Paar optischer Kanäle A kommenden Signal einen Impuls einleitet, wenn
kein Impuls im Schmitt-Trigger ansteht und wobei ein Polaritätswechsel in dem von
dem zweiten Kanalpaar B kommenden Signal den Impuls beendet; auch ist es möglich,
den Schmitt-Trigger so anzuschließen, daß die Aufgabe von A und B umgekehrt sind.
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Die auf diese Weise erzeugte Impuls folge ist automatisch pulsbreitenmoduliert,
und zwar entsprechend derVerdrehung des Schaftes, wobei eine logische Gatterschaltung
nicht erforderlich ist. Diese erzeugten Impulse weisen sämtliche Vorteile der entsprechend
den Schema der Figur 5C erzeugten Impulse auf, d.h. sie sind äußerst unempfindlich
gegenüber elektrischen Instabilitäten.
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Bei dem in den Figuren 6B-6F gezeigten schematischen Beispielen werden
feste Impulshöhen aufweisende Impulse 38' von dem Schmitt-Trigger 22 zu den Zeiten
tl, t3,- t5 usw. eingeleitet und zu den Zeiten t2, t4 und t6 beendet. Es werden
konstante Pulshöhen aufweisende Impulse 39' von dem Schmitt-Trigger 23 zu den Zeiten
tlt3' und t5' eingeleitet und zu den Zeiten
t2', t4, und t6' beendet.
Daher werden die konstante Impulshöhen aufweisende Impulsfolgen 38 und 39 in den
Figuren 6D und 6E, die der logischen UND-Schaltung 26 zugeführt werden, eingeleitet,
wenn die primären Signalimpulse 36 und 37 einen seine Polarität von negativ nach
positiv verändernden Nullpunkt durchlaufen und beendet, wenn die primären Signalimpulse
36 und 37 einen von positiver nach negativer Polarität verlaufenden Nulldurchgang
durchlaufen. Der Ausgang einer logischen UND-Schaltung 26 ist dann die Produktimpulsfolge
40 in Figur 6F.
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Da die dargestellte Impuls folge 40 nur für ein äußerst kleines Zeitelement
auftritt und für eine Situation repräsenativ ist, bei welcher die Verdrehung der
Welle 4 für dieses Zeitelement konstant ist, weisen die Impulse 40', die die Impulsfolgen
40 aus-machen, gleichmäßige Breiten auf. Wie weiter vorn schon erklärt, führen jedoch
Veränderungen in der Wellenverdrehung zu Veränderungen der Impulsbreite der Impulse
40'; diese Ausführungen treffen selbstverständlich in gleicher Weise auch auf dieImpulse
zu, die Impulsfolgen anderer Schaltungsanordnungen darstellen.
-
Die nachfolgenden Erläuterungen betreffen einen Zustand, bei welchem
die Welle 4 um einen Winkel e gegenüber der entspannten Lage verdreht ist. Wiederum
bilden die Impulse 38', 39' und 40' die Impulsfolgen 38, 39 und 40, wie weiter vorn
schon erläutert.
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In diesem Zustand ist die Breite der Impulse 38§ und 39' gleich W2T/2
sr=t2-tl wobei T der Zeitraum für eine Wellenumdrehung ist, r der Wellenradius und
W die Breite der absorbierenden und reflektierenden Bereiche 32, 33, 32' und 33'
und wobei Impulsbereich ( d.h. die Bereiche der Impulse 38' und 39')
gleich
ist A#T = AW'T/2 X r, wobei A die Höhe der Impulse 38' und 39' ist, die sehr konstant
sein muß. Die von der Zeit mittelnden Anordnung 27 gelieferte Spannung beträgt
wobei N die Anzahl der beschatteten (bzw. reflektierenden) Beweiche um die Welle
ist. Wie festgestellt werden kann, ist Vout unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit
der Welle. Indem man mit der Analyse fortfährt, gelangt man zu:
wobei C' eine Konstante darstellt, die abhängt von der unter Spannung stehenden
Nullausrichtung der Bandbereiche 100 und 101.
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Die Bereiche der Impulse 40' sind dann gleich A (t2-t1') = A (t2-t1+
(C'+rG)/(2r)T) .
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Die Ausgangsspannung bei einem vorgegebenen Verdrehungswert 8 beträgt:
Wie ersichtlich, ist das gemittelte bzw. integrierte Signal eine lineare Funktion
der Verdrehung der Welle 4. Jeder Impuls 40 muß dabei eine Anstiegszeit haben, die
beträchtlich geringer ist als die Zeit, die von einem Bereich 32, 33 usw. benötigt
wird,
um an den lichtführenden Röhren der Detektoren vorbeizulaufen.
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Wie weiter vorn schon erläutert, führt das Ausführungsbeispiel der
Figur 5C zu sehr scharf definierten Impulsen, dessen Breite bestimmt ist von der
Größe X1 der optischen Elemente 104, 105 104' und 105'.
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Ebenfalls ist weiter vorn schon auf die Möglichkeit hingewiesen worden,
einen Regel-Funktionsgenerator 320 zu verwenden, um den Ausgang 19' der Multiplizieranordnung
7 aufzunehmen, und das Signal in einer Weise zu verarbeiten, daß Regelfunktionen
der folgenden Art erzeugt werden:
Ein solcher Regel-Funktionsgenerator ist in Figur 7 gezeigt, wobei die Leitung 19'
als Eingang einem mit P bezeichnetem Block zugeführt ist, dessen Ausgang drei Multiplizierschaltungen
50, 51 und 52 zugeführt ist. Für die Multiplizierschaltung 51 ist ein weitererEingang
vorgesehen, so daß sich ein Ausgang P2 ergibt und dieser Ausgang P2 wird seinerseits
einem Eingang der Multiplizierschaltung zugeführt, deren anderer Eingang mit einer
Konstanten A2 beaufschlagt ist; der Ausgang dieser Multiplizierschaltung 54 lautet
dann Afp2. Dieser Ausgangswert i2 2 A2P wird einem Eingang einer Stmierschaltung
55 zugeführt, deren Ausgang mit einer Servoanordnung 29 verbunden ist. Wie in Figur
7 gezeigt, werden die anderen Faktoren der Funktion f1 in ähnlicher Weise entwickelt,
dabei wird nicht angenommen, daß mit Bezug auf Figur 7 noch weitere Erläuterungen
notwendig sind. Es versteht sich, daß das Drehmomentsignal und das Signal der Winkelgeschwindigkeit
in ähnlicher Weise expandiert werden kann, wie soeben erwähnt, eine solche Expansion
kann
in Verbindung mit Regelfunktionen von Nutzen sein..
-
Wie am besten in Figur 6A dargestellt ist, sind die verschiedenen
abgeschatteten und reflektierenden Bereiche des Bandpaares 100 um einen bestimmten
Winkel gegenüber den entsprechend abgeschatteten und reflektierenden Bereiche des
Bandpaares 101 verschoben. Eine durch die Kanten bzw. Grenzen der Bereiche des einen
Bandpaares und parallel zur Achse der Welle gezogene Ideal linie läuft daher durch
den Mittelpunkt der entsprechenden Bereiche des anderen Bandpaares. Auf diese Weise
kann eine auf ein Drehmoment zurückzuführende Verdrehung der Welle in beiden Richtungen
gemessen werden.Dies bedeutet jedoch, daß bei Abwesenheit eines Korrekturmechanismus
ein ein Drehmoment anzeigendes Signal vorhanden ist, wenn ein Drehmoment nicht vorliegt.
Um dies zu korrigieren ist, wie in Figur 5A gezeigt, ein Potentiometer 56 vorgesehen,
um, unabhängig von der Ausrichtung der Bereiche auf den Bändern eine Nullablesung
zu ermöglichen, wenn keine Verdrehung der Welle vorliegt. bas Potentiometer ist
an eine Spannung VO angeschlossen, wobei der Abgriff 57 des Potentiometers einen
Eingang eines weiteren Differentialverstärkers 58 darstellt, der andere Eingang
rührt von der logischen Gatterschaltung 26 her. Der Ausgang des Differentialverstärkers
58 ist über einen zeitlichen Mittelwertbildner einer Multiplizierschaltung 7 zugeführt.
Auf diese Weise kann bei der-Herstellung und bei der Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs
das Potentiometer durch Bewegung des Abgriffes 57 so eingestellt und abgeglichen
werden, daß bei Drehmoment Null sich eine Nullanzeige ergibt. Das, vorzugsweise
kreisförmige Potentiometer, kann eine schraubenähnliche Einstellmöglichkeit haben,
um, falls und wenn notwendig, eine periodische Einstellung zu erlauben. Die Impuls
folge 40 wird von dem zeitlichen Mittelwertsbildner 27 über ein oder zwei Umdrehungen
der Welle 4
auf einen zeitlichen Mittelwert gebracht, um auch geringwertige
Fehler oder Fehlereinflüsse auszuschalten, die beispielsweise zurückzuführen sind
auf geringe Unterschiede der Bereichsbreiten 32, 33 usw.
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Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist bisher die Verwendung von
zwei Bänder aus einem phototechnisch geätztem Streifenmaterial beschrieben worden,
die auf ihrer Rückseite mit einer Klebeverbindung versehen und um die Welle 4 gewickelt
sind.
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Es ist dabei nicht notwendig, daß die Breite W' der Bereiche 32' und
33' (oder die Breite W der Bereiche 32 und 33) identisch ist, da die Signale zeitlich
gemittelt werden, wie rloeben erwähnt, und tatsächlich findet eine zeitliche Mittelwert
bildung über ein oder zwei Wellenumdrehungen oder mehr statt. Es ist jedoch erwünscht,
daß die Breite W' in etwa in ihren Abmessungen nahe beieinanderliegen. Durch Photoätzung
ist es möglich, eine hohe Genauigkeit der Breiten zu erhalten, da die Streifen oder
Bänder, aus denen die Bandbereiche 100 und 101 gemacht sind, auf eine Rolle gedruckt
werden können, die auf ihrer Rückseite eine Klebeverbindung aufweist und lediglich
um die Welle gewickelt werden muß. Der Streifen kann auch aus einer dünnen Metallfolie
oder etwas ähnlichem hergestellt sein, und gewährleistet insgesamt eine sehr nutzbare
und wirtschaftliche Vorrichtung. Wie weiter oben schon erläutert, und zar mit Bezug
auf die Art der in Figur 5C beschriebenen Impulserzeugung, ist es die Breite der
optischen Elemente 104, 105, 104' und 105', die die Impulsbreite bestimmt.
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Zwar stellen für die erläuterten Zwecke die lichtabsorbierenden und
lichtreflektierenden Bereiche bevorzugte Ausführungsbeispiele für viele produktionstechnische
Zwecke dar, es ist jedoch offensichtlich, daß die binären Signale der Kanäle A-D
auch von Bereichen
erzeugt werden können, die abwechselnd lichtdurchlässig
und opak sind (beispielsweise also durch mit Nocken versehene Flansche u.dgl.).
Es ist also auch möglich, zweckvofle Vorrichtungen unter Verwendung von Nocken aufweisenden
Flanschen herzustellen, wie weiter hinten noch erläutert wird, oder es ist auch
möglich, die absorbierenden und reflektierenden Bereiche 32 und 33 jeweils durch
Photoätzung an einem festen Flansch vorzusehen und in ähnlicher Weise wie in dem
US-PS 2 402 719 beschrieben, an dem Flansch zu befestigen. In manchen Fällen, bei
denen die kraftübertragende Welle einer beträchtlichen mechanischen Bewegung unterworfen
ist, kann es wünschenswert sein, die Bandbereiche 100 und 101 so nahe wie nur möglich
zusammenzubringen, um Störsignale auszuschalten, die auf unterschiedliche Bewegungen
der Bauelemente 8 und 9 relativ zueinander und zu der Welle zurückzuführen sind.
In diesem Falle wird bei 111 ein mit 110 bezeichnetes Hülsenelement fest an der
Welle 4 befestigt, wie Figur 8 zeigt, und ist von Lagern 112 und 113 Hulsenelement
getragen, so daß as V selbst kein Drehmoment überträgt.
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Jetzt können die Bauelemente 8 und 9 nahe beieinander angeordnet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 9A umfassen die optischen Kanäle A und B ein
einziges Bandelement 14" und Aufnahmeelemente 104" und 105" (und zwar entsprechend
den Elementen 14, 104 und 105 in Figur 6A), dabei befinden sich die Elemente 104"
und 105" in einer Reihenanordnung, was sich von der in Figur 6A gezeigten und etwa
als Parallelanordnung zu bezeichnenden Anordnung unterscheidet. Das Bandelement
14" besteht aus reflektierenden Bereichen 33" und absorbierenden Bereichen 32",
wobei die Breite von zwei zusammengefaßten Bereichen 32" und 33" als R bezeichnet
ist und die sich längs des Umfanges erstreckende Länge jedes Aufnahmeelementes 104"
und 105" mit M bezeichnet ist,damit die notwendige Funktion R(M>R/2 erfüllt ist.
Bewegt sich der Bandstreifen in Richtung mit des/I' bezeichneten Pfeiles, dann wird
eine einem PrimärsiNnal entsprechende Impulsfolge 80 gebildet. Wie in Figur 9B gezeigt,
weisen
die Impulse 80", die das inForm der Impulsfolge 80 gebildete Primärsignal ausmachen,
Nulldurchgänge auf, die durch Zeiträume getrennt sind, die eine Funktion von R sind,
wobei die Impulse an ihren Maxima während Zeiträume abgeflacht sind, die eine Funktion
von R/2 sind. Ein weiterer einzelner Streifen entsprechend dem Streifen 14", der
an einem axial dazu im Abstand gehaltenen Bereich der Welle angebracht ist, kann
als optische Kanäle D und C dienen.
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Die optischen Kanäle A, B, C, D des in den Figuren 14 und 15 gezeigten
Ausführungsbeispiels werden dadurch erzeugt, daß man von Strahlungsquellen 136 und
137 ausgehende Strahlung zerhackt und zwar unter Verwendung von Schlitzen aufweisenden
Flanschen 139 und 139', die an axial zueinander im Abstand liegenden Bereichen der
Welle an diesen befestigt sind. Die Flansche drehen sich, da sie an der Welle befestigt
sind,mit dieser und bieten der jeweiligen Strahlungsquelle und den Aufnahmedioden,
die wiederum mit D1, D2, D3 und D4 bezeichnet sind, abwechselnd Bereiche 133 und
132 dar, die für Strahlung durchlässig oder undurchlässig, d.h. opak sind.Die Bereiche
133 in dem Ausführungsbeispiel stellen Schlitze oder öffnungen dar, während es sich
bei den opaken Bereichen 132 um Zähne handelt. Selbstverständlich überspannen die
Bereiche 132 und 133. jedenFlansch vollkommen, so daß Bänder 141 und 141 gebildet
sind, die sich mechanisch von den Streifen 14 bis 16 unterscheiden, jedoch den optischen
Bedingungen der weiter vorn erläuterten Systeme analog sind. Wiederum erfühlen die
Detektordioden D1 und D2 (sowie die Detektordioden D und D im Falle des anderen
Flansches 139' 3 4 jeweils den Durchlauf einer Grenze bzw. Kante 140 zwischen einem
strahlungsübertragenden Bereich 133 und einen die Strahlung abdeckenden , d.h. opaken
Bereich 132; dabei sind die bei diesem Ausführungsbeispiel erzeugten Primärsignale
ähnlich denen in Figur 6B und Figur 6C gezeigten. Die bei Umdrehung der Welle an
den
Flanschen 139 und 139'-erzeugten Signale werden, wie weiter vorn schon erläutert,
kombiniert, -um elektrische Impulse konstanter Amplitude, jedoch mit einer Impulsbreite
zu erzeugen, die bestimmt ist von dem Zeitintervall zwischen dem Durchlauf einer
Kante 140 beim Flansch 139 und einer entsprechenden Kante bei dem Flansch 139'.
Daher verändert sich die Impulsbreite wiederum als Funktion der Verdrehung der Welle
4 und infolgedessen der winkelmäßigen Verschiebung zwischen den Flanschen 139 und
139'; die Impulse können in der weiter vorn schon beschriebenen Weise zeitlich gemittelt
werden, um Drehmomentanzeigen als Funktion eines Zeitkanals zu ergeben, der hier
in Form eines optischen Zeitkanals dargestellt ist. Die Bänder 141 und 142 werden
von einem äußeren Streifen 138 und einem Zwischen streifen 134 zusammengehalten;
sie sind mittels eines inneren Streifens 135 an der Welle 4 befestigt.
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Auch die nachfolgende Erläuterung bezieht sich hauptsächlich noch
auf die Darstellungen der Figuren 14 und 15, milder Ausnahme, daß lediglich auf
das Band 142 am Flansch 139 (und der zugeordneten Apparatur) näher eingegangen wird.
Es versteht sich jedoch, daß ein ähnliches Band auch am Flansch 139' vorhanden ist.
Die Flansche 139 und 139' sind also an axial zueinander gehaltenen Bereichen über
der Welle 4 befestigt und tragen aneinandergrenzende Bereiche 132 und 133 mit unterschiedlichen
optischen Eigenschaften, derart, daß eine scharf definierte Grenze oder Kante 140
zwischen diesen gebildet ist.
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Von der Strahlungsquelle 136 ausgehende Strahlung läuft durch die
als Schlitz ausgebildeten Bereiche 133 und wird von dem Detektor DZ aufgenommen,
wobei die Strahlung der Strahlungsquelle 137 von dem Detektor B4 aufgenommen wird,
wie weiter oben erläutert, dadurch wird der Durchlauf jeder Grenze bzw.
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jeder Kante festgestellt und es werden primäre Signale erzeugt,
ähnlich
den von dem Detektor D2 erzeugten Signalen, die einen zeitlich festen Bezug zu dem
Durchlauf jeweils der Kante bzw. Grenze aufweisen. Der Ausgang des Detektors D2
ist mit einem bistabilen Multivibrator bzw. einem Schmitt-Trigger, ähnlich dem Schmitt-Trigger
22 (oder dem Schmitt-Trigger 23 im Falle der Diode D4) verbunden, der Teil ist einer
elektrischen Schaltung zur Verarbeitung der von den Dioden D2 und D4 stammenden
Primärsignale 36 und 37, in einer Weise, daß elektrische Impulse, entsprechend den
Impulsen 40' konstanter Amplitudenhöhe jedoch mit einer Breite erzeugt werden, die
bestimmt ist von dem Zeitunterschied, der zwischen dem Durchlauf einer Grenze 140
am Flansch 139 entlang der Diode D2 und dem Durchlauf einer Grenze am Flansch 139
im anderen Bereich der Welle längs der Diode D4 liegt (d.h. die Impulsbreite der
Impulse 40' ist eine Funktion der Phasenabhängigkeit der Impulse 36 und 37).
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Auf diese -Weise kann eine Impulsfolge erzeugt und in der schon erläuterten
Weise weiter verarbeitet werden. Die Impuls folge 40 kann dadurch gebildet werden,
daß man den Ausgang eines Schmitt-Triggers, beispielsweise der Schmitt-Trigger 22
und 23 (d.h.
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die Ausgangssignale 38 und 39) einer UND-Gatterschaltung entsprechend
dem UND-Gatter 36 zuführt. Es versteht sich dabei, daß der Ausgang jedes Schmitt-Triggers
invertiert werden kann, und zwar vor Zuführung zu der UND-Gatterschaltung, um Signale
zu erzeugen, wie die Impulse variabler Impulsbreite aufweisende Impulsfolge 41 in
Figur 6G.
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Die mechanische Bewegung der das Drehmoment übermitteinden Welle 4
kann Störsignale einführen, die kompensiert werden müssen. Weiter vorn ist schon
ausgeführt worden, daß die berlappende Impulsbreite zwischen der von den Kanälen
A -B und den Kanälen C-D erzeugten, impulsbreitenmadulierten Impulsfolge gleich
W ist und Schwankungen6W W unterworfen ist. Ist die Impulshöhe
der
impulsbreitenmodulierten Impulsfolge ~^leich H und ist H Schwankungen# H unterwor,fen
und ist die bei einem gegebenen Drehmoment erzeugte Impulsbreitenmodulation AW,
dann ist das erzeugte Signal proportional zu HAW und die Störgeräusche bzw.
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das Rauschen ist proportional zu HEW + W4H. Falls beide erwähnten
Kraftfahrzeug AW gleich 2,5.10 -4 cm (10 -4 inches) ist, entsprechend einem Drehmoment
von angehähert 1,3 mkg (10 ft.-pounds of torque), was wohl das kleinste gemessene
Drehmoment sein dürfte, dann ist es notwendig, daß für ein Signal zu Rruschverhältnis.von
eins bei einem Drehmoment von 10 ft,-pounds
ist. Eine Welle, die einer zeitlich gemittelten Bewegung mit Bezug auf die festen
Detektorgehäuse, d.h. die Bauelemente 8 und 9 in Figur 2 unterworfen ist, kann ernsthaftes
Rauschen und Störungen in die Messung des Drehmomentmessers einführen. Dies kann
im wesentlichen dadurch eliminiert werden, daß man ein drittes Kanalpaar E-F verwendet,
welches ein Bandpaar 101', lichtempfindliche Detektoren D5 und D6 und lichtführende
Röhren 104" und 105", wie in Figur 16, umfaßt. Wie auch bei den vorigen Ausführungsbeispielen
besteht das Bandpaar 101 aus Bandelementen 16 ' und 17', ähnlich den weiter vorn
erwähnten Bandelementen 16 und 17 und anderen Teilelementen, die,'wie in Figur 16
gezeigt, ähnliche Aufgaben und Wirkungen erfüllen wie die früher schon ausführlich
ererläuterten Teilelemente. Die Bandelemente 16' und 17' als auch die Bandelemente
16 und 17 sind auf einem bei 111 an der Welle 4 befestigten Hülsenelement 110 angebracht,
wie das schon mit Bezug auf Figur 8 erläutert worden ist. Das in Figur 16 dargestellte
Ausführungsbeispiel verfügt daher über drei Paare optischer Kanäle, nämlich A-B,
C-D und E-F , wobei die Bandelemente 14 und 15 des Kanalpaares A-B an einem ersten
Bereich um die Welle 4 gewickelt sind, wie dargestellt, und die Bandelemente 16
und 17 und 16' und 17' jeweils der Kanalpaare C-D und E-F um das Hülsenelemente
110 gewickelt sind. Die Hülse 110
ist bei 111 an einem Bereich,
der axial gegenüber dem ersten Bereich verschoben ist,an der Welle 4 befestigt und
erstreckt sich dann wieder axial zurück zu dem ersten Bereich, wie dargestellt,
damit die Wandpaarbereiche 100, 101 und 101' in enge Nachbarschaft zueinander gebracht
sind. Der axiale Abstand des ersten Bandpaars 100 und des zweiten Bandpaars 101
ist mit S gekennzeichnet, dieser Abstand ist gleich dem axialen Trennungsabstand
zwischen dem zweiten Bandpaar 101 und dem dritten Bandpaar 101'.Da die Hülse 101
kein Drehmoment überträgt, ist jede zeitlich gemittelteÄnderung der kombinierten
Impuls folge bei 231 (siehe Figur 17), die abgelehnt ist von den Kanälen C-D und
bei 232, die abgeleitet ist von den Kanälen E-F auf mechanische und in manchen Fällen
elektronische Rauschstörungen zurückzuführen. Wie in Figur'17 gezeigt, ist dieses
Signal mit M bezeichnet. Das Signal 230 von dem Bandpaar 100 und das Signal 231
von dem Bandpaar 101 werden, wie weiter oben schon erläutert und in Figur 17 dargestellt,
weiter verarbeitet, wobei der zeitliche Mittelwert des verarbeiteten Signals einen
Drehmomentanteil T und einen Rauschanteil M enthält. Dabei bedeuten die Bezeichnungen
T und M in Figur 17 stets, daß die jeweiligen Signale einer zeitlichen Mittelung
unterworfen worden sind.
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man Subtrahiert/die auf diese Weise gewonnenen Signale bei 217, wie
in Figur 17 gezeigt, dann gewinnt man am Ausgang 18 ein zeitlich gemitteltes Signal,
das gegenüber mechanischem und elektronischem Rauschen eine Korrektur erfahren hat.
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Schließlich sei noch auf folgendes hingewiesen. Die in den Blockdiagrammen
und Zeichnungen sowie in der Beschreibung erwähnten Servoanordnungen können bekannte
Anordnungen darstellen und für Regelzwecke zweckvoll verwendet werden. Solche Servoanordnungen
sind beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
'Theory
of Servo-Mechanisms," H.L. Hazen, Journal of the.
-
Franklin Institute, September, 1934, pg. 279; "Servo Mechanism Fundamentals,"
Lauer et al., McGraw Hill, 1947; 'Inertial Navigation Systems", Broxmeyer, McGraw
Hill, 1964; 'Nonlinear ,Automatic Control," Gib,son,McGraw' Hill 1963; "Prineiples
of Control Systems Engineering," Del Toro and Parker,McGraw Hill (1960).
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Die Ausgänge bzw. die Ausgangssignale der Schwellenanordnungen (der
in der vorhergehenden Beschreibung erwähnte Schmitt-Trigger) werden in den Ausführungsbeispielen
dadurch gesteuert bzw. beeinflußt, daß in den Eingangssignalen Polaritätswechsel
stattfindet. Es versteht sich jedoch, daß die Ausgänge solcher Schwellenwertanordnungen
auch dadurch beeinflußt werden können, daß andere vorbestimmte Spannungsebenen eingangsmäßig
zugeführt werden, indem man entsprechende Vorspannungen anlegt, d.h., daß es möglich
ist, die Schmitt-Trigger auch mit einem anderen Spannungswert als dem Null-Durchgang
einer Steuerspannung anzusteuern.
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Die weiter vorn verwendeten Begriffe optisch, Licht und Strahlung
verstehen sich selbstverständlich in einem weiteren Rahmen lnsofern, als sie ein
Strahlungsspektrum umfassen, welches das sichtbare Spektrum einschließt, wobei bei
den bevorzugten Ausführungsbeispielen tatsächlich das sichtbare Spektrum herangezogen
wird; verwendet werden können jedoch auch Frequenzbereiche außerhalb des sichtbaren
Spektrums. Tatsächlich ist es jedoch zu empfehlen, die Strahlungsquelle der Ausgangsfunktion
des Detektors (D1, D2 usw.) anzupassen, d.h., daß es sich bei der Licht emittierenden
Diode um eine Gallium-Arseniddiode handeln kann, die bei etwa 1,38 ev strahlt, und
der Detektor könnte ein Silizium-Photodetektor sein, auch ist es möglich, als Strahlungsquelle
eine Glühlampenwendel zu verwenden, wobei der Detektor ein Silizium- oder Germanium-
oder Galliumarsenid-Halbleiter Detektor ist.