DE2247693A1

DE2247693A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der frequenz von elektrischen impulsen

Info

Publication number: DE2247693A1
Application number: DE19722247693
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. P GOIr 29-00 Antrag
Original assignee: Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Citroen SA
Priority date: 1971-09-30
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1973-04-05
Also published as: FR2154373A1; US3887870A; DE2247693B2; FR2154373B1; DE2247693C3

Description

DR. HEINZ FEDER DR. WOLF-D. FEDER

PATENTANWÄLTE Düsseldorf

Akte 72-10-132

ι 27. September 1972

! WP/Si

Firma Societe Anonyme Automobiles Citroen, F 75 Paris 8 , 117 a 167, Quai Andre Citroen

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Frequenz von elektrischen Impulsen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Frequenz von elektrischen Impulsen.

Vorrichtungen zum Zählen von Impulsen sind allgemein bekannt, aber es ist nicht möglich, mit ihrer Hilfe die Frequenz von Impulsen schnell und mit großer Genauigkeit zu bestimmen, wenn diese Frequenz relativ niedrig ist. Wenn beispielsweise Impulse mit einer Frequenz der Größenordnung von 50 Hz während einer Sekunde gezählt werden, liegt die höchste Genauigkeit dieser Messung bei 2 %. Wenn die Messung über die Dauer von einer Minute durchgeführt wird, ist die Genauigkeit größer, aber man erhält dann nur einen Mittelwert und keine Aussagen über momentane Frequenzänderungen innerhalb dieses Zeitraumes.

Es sind Vorrichtungen bekannt, mit denen die Frequenz einer Folge von Impulsen durch Messung des Zeitintervalls zwischen' zwei Impulsen bestimmt werden kann«. Diese Vorrichtungen liefern eine schnelle und präzise Zeitmessung nur für

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niedrige Frequenzen und sie erlauben keine direkte Frequenzmessung.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist zunächst ein Verfahren, mit dessen Hilfe sehr schnell und mit großer Gensuigr- \ keit die Frequenz einer Impulsfolge bestimmt werden kann.

Bei diesem Verfahren wird erfindungsgemäß innerhalb eines Zeitraumes,der kleiner/öls das Zeitintervall zwischen zwei

ι aufeinanderfolgenden Impulsen der zu messenden Freqyenz, je~ wells eine Gruppe von ρ Hilfsimpulsen erzeugt, w©bei der An^

j fang jeder Gruppe von Hilfsimpulsen mit einem der zu messenden Impulse synchronisiert ist, und die Gesamtanzahl von Hilfs«- impulsen gezählt wird, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise während einer Sekunde, abfegeben werden.

t Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des obengenannten erfindungsgemäßen Verfahrens , gemäß der weiteren Erfindung gekennzeichnet durch mindestens eine als Zeitbasis dienende Vorrichtung zur Erzeugung der Gruppe von Hilfsimpulsen, sowie eine Vorrichtung zur Synchronisierung des Anfanges jeder Gruppe von Hilfsimpulsen mit einem der zu messenden Impulse und eine Zählvorrichtung zur Bestimmung der Anzahl der HiIfsimpulse innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes.

Die Anzahl der gezählten Hilfsimpulse ist ein Maß für die Frequenz der zu messenden Impulse. Die Genauigkeit j._st umso größer, je genauer der Zeitraum, innerhalb dessen die Gruppe von ρ Hilfsimpulsen abgegeben wird, dem Zeitintervall zwischen zwei benachbarten Impulsen, deren Frequenz gemessen werden soll, entspricht. Darum sind bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung mehrere Vorrichtungen zur Erzeugung einer Gruppe von ρ Hilfsimpulsen mit unterschiedlichen Frequenzen vorhanden, sowie eine Vorrichtung zur angenäherten Bestimmung der zu messenden

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Frequenz und eine durch diese Vorrichtung angesteuerte Frequenzweiche, durch die jeweils eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Hilfsimpulsen passender Frequenz mit der Zählvorrichtung verbindbar ist.

Die Vorrichtungen zur Erzeugung der Hilfsimpulse können jeweils eine eigene als Zeitbasis dienende Vorrichtung zur Erzeugung einer Grundfrequenz aufweisen, aber es ist einfacher, wenn sie eine gemeinsame als Zeitbasis dienende Vorrichtung zur Erzeugung einer Grundfrequenz aufweisen, an die eine Reihe von Frequenzteilern angeschlossen ist.

Um die einzelnen Gruppen von Hilfsimpulsen zu registrieren, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine die Hilfsimpulse zählende Hilfszählvorrichtung aufweisen, die mit den Impulsen, deren Frequenz bestimmt werden soll, synchronisiert ist und die die Hauptzählvorrichtung jeweils von dem Augenblick an, in dem die vorgegebene Anzahl von ρ Hilfsimpulsen erzeugt ist, bis zum Eintreffen des nächsten Impulses der Impulsfolge mit der zu messenden Frequenz anhält.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin eine Zeitmeßvorrichtung aufweisen, die mit den Impulsen mit der zu messenden Frequenz synchronisiert ist und durch die die Zählvorrichtung am Ende eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise nach einer Sekunde, abschaltbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor- ' richtung können überall dort verwendet werden, wo es darum geht, die Frequenz von Impulsen zu bestimmen. Der Gegenstand der Erfindung ist aber insbesondere anwendbar bei einem Tachometer zur Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit einer Welle, wenn diese Rotationsgeschwindigkeit mit einer Impulsfrequenz verknüpft ist. Dies ist insbesondere bei der Rotationsgeschwindigkeit der Welle eines Explosionsmotors mit gesteuerter Zündung der Fall. Die Anzahl der Umdrehungen pro Minute dieser

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Welle ist nämlich mit der Frequenz F der ZUndimpulee verknüpft durch die Relation N · 30 F χ η (η ist die Anzahl der Zylinder des Motors)+ im Falle eines Viertaktmotors oder durch die Relation N » 60 F χ η im Falle eines Zweitaktmotors.

Die bekannten Tourenzähler bestimmen im allgemeinen die RotationsgeschwindigJceit des Motors in Abhängigkeit von der Zündfrequenz, aber diese Bestimmung wird bis heute entweder durch Messung des Zeitintervalls zwischen Zündimpulsen oder durch Integration von Impulsen durchgeführt· Diese Tourenzähler können in Fahrzeugen verwendet werden, um dem Fahrer in etwa den Drehzahlbereich, in dem sich der Motor befindet, anzugeben, aber sie sind nicht verwendbar, wenn es sich darum handelt, eine Steuerung des Motors durchzuführen, da ihre Genauigkeit ungenügend ist. Die Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erlaubt dagegen eine sehr schnelle Bestimmung der RotationsgeschwindigJceit eines Motors mit einer Genauigkeit, die beliebig groß gemacht werden kann.

Zu diesem Zweck ist vorzugsweise die Anzahl ρ von Impulsen

in jeder Gruppe bei einem Viertaktmotor gleich 3»S und bei

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einem Zweitaktmotor gleich ··=——, wobei η die Anzahl der Zylinder des Motors ist. Hierdurch wird erreicht, daß die Anzahl von Hilfsimpulsen, die innerhalb einer Sekunde gezählt werden, in etwa gleich ist der Anzahl von Umdrehungen der Motorwelle pro Minute.

Im folgenden werden anhand der beigefügten Figuren zwei Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung in der Anwendung als Drehzahlmesser näher erläutert*

Figur 1 zeigt in einem Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Frequenz von Impulsen.

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Figur 2 zeigt in jSeinem Zeitdiägramm die Funktionsweise der Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3 zeigt wiederum in einem Blockschaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Frequenz von Impulsen.

Figur 4 ist ein Zeitdiagramm zur Bestimmung des maximalen Fehlers.

Der in Figur 1 im Blockschaltbild dargestellte Drehzahlmesser weist einen als Zeitbasis dienenden Impulsgeber 1 auf, der durch die Zündimpulse 2 angesteuert wird und jeweils eine Gruppe von ρ Impulsen 3 innerhalb eines Zeitraumes liefert, der kleiner ist als das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen Die Vorrichtung weist weiterhin einen mit dem Impulsgeber 1 verbundenen Impulszähler 4 auf, sowie eine mit dem Zähler über einen Speicher 6 verbundene Anzeigevorrichtung 5 und eine Zeitmeßvorrichtung 7 zur An- und Abschaltung des Impulszählers 4 innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise einer Sekunde, wobei die Zeitmeßvorrichtung durch die Impulse 2 so angesteuert wird, daß die Messung in dem Augenblick beginnt, wo. ein Zündimpuls abgegeben worden ist.

Es kann als Beispiel angenommen werden, daß der Motor ein Viertaktmotor mit zwei Zylindern sei. Die Anzahl der¹Umdrehungen der Motorwelle pro Minute ist dann gleich 60 F, wobei F die Zündfrequenz ist. In diesem Falle ist es vorteilhaft, wenn ρ = 60 gewählt wird. Es kann weiterhin angenommen werden, daß die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors annähernd bekannt ist und beispielsweise die Drehzahl unterhalb von 3000 U/min liegt. Unter diesen Bedingungen beträgt das Zeitintervall zwischen zwei Impulsen 2 mindestens 0,020 see und man kann einen als Zeitbasis dienenden Impulsgeber benutzen der Impulse mit einer Frequenz von 3000 Hz liefert.

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Wenn sich die Motorwelle beispielsweise mit einer Drehzahl von 2850 U/min dreht, führt sie 47,5 Umdrehungen pro Sekunde aus, und jede Umdrehung dauert 0,0210 see. Der Impulsgeber wird vom Zeitpunkt t_Q an (s. Figur 2) 48 mal angesteuert« Bei jedem der siebenundvierzig ersten Ansteuervorgänge liefert er sechzig Impulse 3, aber nach dem achtundvierzigsten Ansteuervorgang wird der Zähler 4 durch die Zeitmeßvorrichtung 7 n,ach einer Zeit von t ■ 0,0105 see angehalten und es werden nur 31 Impulse 3, die vom Impulsgeber 1 ausgingen, gezählt.

Die Anzahl der Impulse 3, die insgesamt vom Zähler 4 gezählt und von der Anzeigevorrichtung 5 angezeigt wurden, beträgt dann 2851 und diese Anzahl stellt die Anzahl der Umdrehungen pro Minute der Motorwelle mit einem absoluten Fehler von 1 bzw. einem relativen Fehler von 0,03 % dar·

Bei einem Motor mit drei oder .vier Zylindern würde man für t einen entsprechenden Wert von 40 oder 30 wählen und die Anzahl der Umdrehungen pro Minute der Motorwelle wäre wiederum

ι
angezeigten Impulse 3 gegeben«

in guter Näherung durch die Anzahl der durch die Vorrichtung

Aus der oben angegebenen Beschreibung können folgende Schlüsse gezogen werden:

a) Der bei der Messung begangene Fehler ist Null, wenn die

ρ Impulse 3 in einem Zeitraum ausgesandt werden, der exakt dem Zeitintervall zwischen zwei Impulsen 2 entspricht, was in dem angegebenen Beispiel einer Drehzahl von 3000 U/min entspricht.

b) Der bei der Messung begangene Fehler ist ebenfalls Null, wenn die Anzahl der Zündimpulse 2 in einer Sekunde eine ganze Zahl darstellt. Dies ist beispielsweise bei einer Drehzahl von 2400 U/min der Fall.

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-Ι ο) Wenn die ρ Impulse 3 in einem Zeitraum ausgesandt werden, der größer ist als das Zeitintervall zwischen zwei Zündimpulsen 2, wird nur ein Teil dieser Impulse 3 gezählt und ' dieser Fehler addiert sich zu dem Fehler, der bei der letzten Ansteuerung begangen wird. Die Genauigkeit tfird dadurch weniger gut. Wenn beispielsweise die Frequenz des Impulsgebers 1 2700 Hz beträgt, so daß die Gruppe von 60 Impulsen 3 ingesamt eine Dauer von 0,022 see besitzt, zählt der Zähler 4 nur jeweils 56 Impulse 3_T während der ersten 47 Ansteuerperioden und er zählt 28 Impulse 3 während der 48· Ansteuerperiade. Die Gesamtzahl der gezählt und angezeigten: Impulse ibeträgt dann 2660. Der absolute Fehler im oben angegebenen Beispiel beträgt dann 190 und der relative Fehler 6,6 %_r

d) Wenn das Zeitintervall zwischen zwei Zündimpulsen 2 groß ist gegen den Zeitraum innerhalb dessen die 60 Impulse 3 abgegeben werden, kann es geschehen, daß nach der letzten Ansteuerung des Impulsgebers die 60 in jedem Falle alle gezähltapoevor die Zeitmeßvorrichtung 7 den Zähler anhält. Der auf diese Weise begangene Fehler kann groß sein, da in diesem Falle nur ein (Teil dieser Impulse in die Betrachtung einbezogen werden dürfen. Wenn beispielsweise der Motor nur mit einer Drehzahl von 270 Ü/min arbeitet und trotzdem der Impulsgeber Impulse 3 mit einer Frequenz von 3000 Hz liefert, wird der Impulsgeber fünfmal angesteuert und der Zähler zählt 300 Impulse 3. Der absolute Fehler beträgt dann 30 und der relative Fehler 11 %. Der Zähler zeigt übrigens diesen gleichen Wert von 300 Impulsen für jede Drehzahl zwischen den Werten 244 und 300 an. Aber man kann diesen Fehler vermeiden, in dem man die Frequenz des Impulsgebers so beeinflußt, daß die 60 Impulse 3 nicht alle abgegeben werden können, bevor im letzten Ansteuervorgang die Zählvorrichtung abgeschaltet wird.

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Genauer gesagt dürfen, wenn man f die Frequenz des Impulsgebers und mit F die Frequenz der Zündimpulse 2 bezeichnet,

11 innerhalb des Zeitraumes 60 χ | nur 60 χ ψ χ 60 F Impulse eintreffen, wobei in ungünstigsten Falle genau 60 eintreffen.

Der absolute maximale Fehler beträgt dann: E - 60 χ-(I - fS-E)

und hieraus folgt im betrachteten Fall, wenn der Motor ein Viertaktmotor mit zwei Zylindern ist

Man kann also f so wählen, daß der maximale absolute Fehler E (oder ebenso der relative Fehler E : N) kleiner ist als ein vorgegebener Wert.

Wenn die Frequenz f*-6000 Hz beträgt, erhält man einen maximalen Fehler von 20 für N = 4020 U/min. Diese Frequenz erlaubt es also den Wert von N mit einem relativen Fehler von 0,5 % für alle Drehzahlen zwischen 4000 und 6000 zu erhalten.

Um jeweils die richtige Frequenz des Impulsgebers 1 sicherzustellen, kann eine Vorrichtung zur angenäherten Messung der Motordrehzahl und eine Umschaltvorrichtung, die von der genannten Meßvorrichtung angesteuert wird, vorgesehen sein.

j Aus diesem Grunde ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ein die Zeitbasis bildender Impulsgeber 8 vorgesehen, der

J Impulse von hoher Frequenz, beispielsweise von 1 MHz abgibt und/mit einer Reihe von Frequenzteilern 9a, 9b ... 9n ver-

bunden ist. Diese Frequenzteiler sind selbst mit einer Frequenzweiche 10 verbunden.

Die vom Unterbrecher 11 gelieferten Zündimpulse 2 laufen durch einen Impulsformer 12. Der Impulsformer 12 ist mit einem

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Bereichswähler 13 verbunden, der beispielsweise bei jeder vierten Umdrehung der Motorwelle einen Spitzenimpuls liefert · und der selbst mit einem Rechenkreis 14 verbunden ist, welcher ein Signal liefert, das ein Maß für die Zeit ist, die der Motor für diese vier Umdrehungen benötigt« Die Kreise 13 und sind an sich bekannt und das Signal, das sie liefern, ist angenähert ein Maß für die Anzahl der Umdrehungen pro Minute des Motors. Der Rechenkreis 14 ist im übrigen mit der Frequenzweiche 10 so verbunden, daß er aus all den von den Frequenzteilern 9a, 9b ... 9n gelieferten Signalen das heraussucht, dessen Frequenz am geeignetsten ist. Das geeignetste Signal ist jenes, dessen Wert in der Einheit Hz ausgeddückt für einen Viertaktmotor mit zwei Zylindern der Drehzahl pro Minute des Motors, wie sie durch den Rechenkreis 14 bestimmt wird, am nächsten kommt, aber oberhalb dieser Drehzahl liegt.

Der Impulsformer 12 ist seinerseits außerdem mit einer Zeitmeß-r ^! vorrichtung 15 verbunden, die auf diese Weise im Augenblick, ί in dem ein Impuls 2 eintrifft, angesteuert wird und ein Signal , von der Dauer einer Sekunde liefert, das mit dem Zündimpuls j synchronisiert ist. Die Zeitmeßvorrxchtung 15 ist mit einer Vorrichtung 16 verbunden, die ihrerseits mit dem Ausgang der Frequenzweiche 10 verbunden ist und die Anzahl der Impulse z^ählt und ihrerseits ein Rechtecksignal liefert, wobei die Dauer jedes Rechteckes einer Anzahl von gegebenen Impulsen als Funktion der Anzahl des Zylinders des Motors entspricht.

Die Frequenzweiche 10, die Zeitmeßvorrichtung 15 und der Zähler 16 sind mit einem logischen Kreis 16 verbunden, dessen Ausgang mit dem Zähler 4 verbunden ist. Dieser Kreis liefert an den Zähler 4 eine gegebene Anzahl von Impulsen 3 für jeden Impuls 2, und hält den Zähler nach Ablauf einer Sekunde an. Diese Anzahl wird einem Speicher 6 und einer Anzeigevorrichtung 5 zugeführt und der Zähler wird auf Null zurückgestellt, um eine neue Folge von Impulsen zu zählen.

Patentansprüche - 10 -

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Messung der Frequenz von elektrischen Impulsen, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Zeitraumes, der kleiner ist als das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen.» der zu messenden Frequenz jeweils eine Gruppe von ρ Hilfsimpulsen erzeugt wird, wobei der Anfang jeder Gruppe von Hilfsimpulsen mit einem der zu messenden Impulse synchronisiert ist und die Gesamtanzahl von Hilfsimpulsen gezählt wird, die innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes, beispielsweise während einer Sekunde, abgegeben werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine als Zeitbasis dienende Vorrichtung (1, 8) zur Erzeugung der Gruppe von Hilfsimpulsen (3), sowie eine Vorrichtung (1, 16) zur Synchronisation des Anfangs jeder Gruppe von Hilfsimpulsen (3) mit einem der zu messenden Impulse (2) und eine Zählvorrichtung (4) zur Bestimmung der Anzahl der Hilfsimpulse (3) innerhalb eines vorgegebenen Zeitraumes.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen (9a bis 9n) zur Erzeugung von Gruppen von ρ Hilfsimpulsen (3) mit unterschiedlichen Frequenzen vorhanden sind, sowie eine Vorrichtung (14, 13) zur angenäherten Bestimmung der zu messenden Frequenz und eine durch diese Vorrichtung (13, 14) angesteuerte Frequenzweiche (10),durch die jeweils eine der Vorrichtungen (9a bis 9n) zur Erzeugung von Hilfsimpulsen (3) passender Frequenz mit der zählvorrichtung (4) verbindbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen (9a bis 9n) zur Erzeugung der Hilfsimpulse (3) eine gemeinsame als Zeitbasis dienende Vorrichtung (8) zur Erzeugung einer Grundfrequenz aufweisen, an die eine Reihe von Frequenzteilern angeschlossen ist.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine die Hilfsimpulse (3) zählende

j Hilfszählvorrichtung (16) aufweist zum Anhalten der Hauptzählvorrichtung (4) jeweils von dem Augenblick an, in dem ·

die vorgegebene Anzahl von ρ Hilfsimpulsen (3) erzeugt ist ! bis zum Eintreffen des nächsten Impulses (2) der Impuls-ϊ folge mit der zu messenden Frequenz.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Zeitmeßvorrichtung (7, 15), die mit den Impulsen (2) mit der zu messenden Frequenz synchronisiert ist und durch die die Zählvorrichtung (4) am Ende eines vorgegebenen Zeitraumes abschaltbar ist.

7. Anwendung des Verfahren nach Anspruch 1 und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6 zur Bestimmung der Drehzahl einer Welle, bei der die Drehzahl mit einer Impulsfrequenz verknüpft ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 zur Bestimmung der Drehzahl eines Explosionsmotors mit gesteuerter Zündung durch Messung der Zündfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (p) von Impulsen in jeder Gruppe bei einem Viertaktmotor gleich

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—— und bei einem Zweitaktmotor gleich —— ist, wobei r die Anzahl der Zylinder des Motors ist.

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