DE2353473C3 - Vorrichtung zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge, bei dem ein Frequenzspannungswandler und ein elektronisches Quotientennetzwerk in Reihe geschaltet sind, wobei das Quotientennetzwerk durch einen Vierpol mit nichtlinearer Kennlinie gebildet wird, dem die Schwankungsamplitude U„ und der Mittelwert U_n, der Impulsfolge zugeführt werden und durch den Vierpol miteinander ins Verhältnis gesetzt werden. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur überwachung der Drehzahlschwankung von rotierenden Wellen oder der Geschwindigkeitsschwankung von gleichmäßig bewegten Papier- oder Folien bahnen. Bei Geräten dieser Bauart wird eine mit der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit proportionale Frequenz mit Hilfe eines Frequenz-Spannungs-Wandlers in eine drehzahlanaloge Spannung umgewandelt und mittels eines elektronischen Quo-'5 tientennetzwerkes mit dem Mittelwert der Frequenz ins Verhältnis gesetzt.

Impulsfolgen lassen sich zum Beispiel mittels elektronischer Generatoren, aber auch durch mechanische Impulsgeber auf optischer, induktiver oder mechanischer Basis erzeugen.

In vielen Fällen bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit einer Produktionsmaschine direkt die Qualität oder die physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften des Produktes. Koppelt man zum Beispiel einen mechanischen Impulsgeber mit vernachlässigbar kleinem Teilungsfehler an eine rotierende Welle einer solchen Maschine, so läßt sich aus der Schwankung der Frequenz der Impulsfolge direkt auf die Schwankung der Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit dieser Welle schließen. Umgekehrt liefert die Impulsfolgeschwankung eines mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetriebenen Impulsdrehgebers dessen Teilungsfehler. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Messung von Tonhöhenschwankungen an Tonbandgeräten, der Frequenz-Jitter bei Impulsgeneratoren. Viele auf der Basis von Impulsfolge-Schwankungsmessungen arbeitende Meßverfahren verlangen die Kenntnis der relativen Frequenzschwankung, bezogen auf den zeitlichen Mittelwert der Impulsfolge.
Ein derartiges Meßgerät ist zum Beispiel in der deutschen Patentschrift DT-PS 10 56403 beschrieben. Dieses Gerät bildet mit Hilfe eines Quotienten-Netzwerkes den Quotienten aus der Schwankungsamplitude und dem zeitlichen Mittelwert der Impulsfolge. Genauigkeit und Meßbereichsumfang werden hierbei durch den eingebauten magnetischen Schalter und die Quotientenstufe stark begrenzt. Bei sequentiellem Betrieb des Meßgerätes mit mehreren Meßstellen besitzt das Gerät eine zu lange Einstellzeit.
Der Erfindung liegt daher als wesentliche Aufgabe die Verbesserung dieses Meßgerätes zugrunde. Insbesondere soll die Betriebssicherheit, die Meßgenauigkeii, der Meßumfang und die Eichstabilität erhöht werden.

Diese Aufgabe wird bei dem oben beschriebenen Gerät erfindungsgemäß in folgender Weise gelöst: Das Quotientennetzwerk besteht aus einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie, dessen Ausgang ein Hochpaßfilter nachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert U_n, am Ausgang des Quotientennetzwerkes ändert, während gleichzeitig durch ein dem Hochpaßfilter vorgeschaltetes Tiefpaßsperrglied die Ausgangswechselspannung U_as(t) des Quotientennetzwerkes 6s automatisch vom Eingang des Hochpasses getrennt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Sperrglied als RC-Tiefpaß ausgebildet, dessen

ι ittnnstante mittels eines Feldeffekt-Transistors T₂ Durch die Beziehung (4) und die Gleichung (1)

schaltbar ist. ist dieser Quotient proportional der Drehzahlschwan-

^Ü Der Hochpaß wird zweckmäßig durch ein C/R-Glied kung, bezogen auf die mittlere Drehzahl -„bildet, dessen Zeitkonstante mittels eines Feldeffekt-

Transistors T₁ auf niedrigere Werte umschaltbar ist. 5 _{Q =} _£Μ_ ^ Wl, (7)

Weitere Verbesserungen des Gerätes, zum Beispiel U_m n_m Am Einbau einer Anzeigesperre sowie einer Grenz-

,-tanreiee sind in den Patentansprüchen näher be- also der gewünschten Meßgroße.

^Wt vS ^{Die am} Ausgang des Quotientennetzwerkes 4 auf-

u?idem neuen Gerät wird eine wesentlich höhere io tretende Wechselspannung wird anschließend einem

JJllnfturstaWlität. ein größerer Frequenzbereich, umschaltbaren Hoch-Tiefpaß-Filter 5 zugefiihr .und

offset sowie eine bessere Linearität nach Verstärkung im Verstarker 6 durch das Anzeige-

"Lit Ein weiterer Vorteil liegt in dem erweiterten instrument bzw. den Scheiber 7 angezeigt. Nach_

M ßbereich bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit. folgend werden die einzelnen Funktionsgruppen ζ

Es wird eine Meßgenauigkeit von ca. ± 1 % erzielt. Da 15 bis 6 näher beschrieben.

Sch eine logarithmische Funktion auch über lange

Zeiten genau darstellen läßt, entfällt die früher 1. Geber

-iÄÄM^SX?-^ man Der Geber 2 ha, die Aufgabe bei einerDreh-

eta «Sr" Uraladungszeit ii Hochpaßnlte, und » bewe_Bung oder einen, ^{als Dr}*^"Jf_in?f, ^*'!

j L ,ine Reduzierung der Einstellzeit auf < 5 s. delem anderen Vorgang, eine dem Winkel proper

S SendVn wird ein Ausführungsbeispiel der tionalc Anzahl eleklrischer l^V^Snldet

Srtadunsanhand von Zeichnungen näher beschrie- Er is. ζ. B. als photoeiektracher Gebe »g«

¹ -ATa*^{1 Pnnzip der Schallun8}»be^ddSrr^ÄirroÄ^us?;

EiJ \ t Wirkinpweise des Quo„e„,e„„e₁₂- durch ihre «•χ^ΟίΛ,^Ι,

Anzeigesperre una 'jrcnz.vycnautcigt.

Das Meßobjekt, z.B. eine rotierende Welle 1, ist um.
mit einem photoelektrischen Geber 2 mechanisch
direkt gekoppelt. Die Zeitfunktion der Drehzahl Mt) τ F U-Wandler

läßt sich in zwei Komponenten 35

Im F/U-Wandler3 (F i g. 2) werden die Span-

Mt) = n„, + n_s{t) (1) nungsimpulse des Gebers 2 durch einen monostabilen

Multivibrator in Spannuniisimpulse konstanter Im-

zerlegen, einen konstanten Anteil n_m (mittlere Dreh- pulshöhe U₀ und konstanter Impulsdauer τ umgezahl) und einen Schwankungsanteil n_s{t). 40 setzt. Unterdrückt das nachfolgende aktive Tiefpaß-

Die Zeitfunktion der Impulsfrequenz f(t) des Ge- Filter alle Frequenzkomponenten oberhalb einer bers 2 ist proportional der Zeitfunktion Mt) der Grenzfrequenz, so erhält man als Ausgangsspannung Welle 1: U_a des Tiefpaßfilters

fit) ~ Mt) ■ (2)

Diese Frequenz-Zeitfunktion wird durch den Fre- " ~ T ~ °

quenz-Spannungswandler 3 (F/U-Wandlung) in eine

proportionale Spannungs-Zeitfunktion U(f) umge- also eine der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit prowandelt: portionale Spannung.

50
U(I) ~ /(D. (3) 3. Quotientennelzwerk

Da /wischen der Ausgangsspannung des FjU- Im Quotientennetzwerk (F i g. 3) erhält man durch

Wandlers und der Drehzahl nach Beziehung (2) Aussteuerung einer nichtlinearen Kennlinie mit der Proportionalität besteht, ergibt sich 55 Ausgangsspannung des F'U-Wandlers 3 nach Glei

chung (81 den Quotienten gemäß Gleichung (6). Ah

U(I) ~ )i(f) (4) nichllineare Kennlinie dient die logarithmische Funk

und unter Berücksichtiiiunu von Gleichung (1) ,. ,. , ,, ,_m

U₁₁ = K · InU,.. (9)

UU) = U_n, + U_xU)- (5)

Im Arbcitspunkl Ί der Kennlinie, der durch die

Die nachfolgende Quotientenstufe 4 bildet den Spannung U₁,, eingestellt wird, ergibt sich die Aus-Quotienten aus der Schwankungsfunktion L\(i) und gangswechsclspannunu U,,,(M /u

der mittleren Spannunn U₁₁₁ '■>

U₁U) - ΠΓ,,,Ι· (\(r). (10|

~ " ' Die Verstärkun;.'. I'(ί ■',,.) der Quolientcnsuife ist

gleich der Steigung der Kennlinie im Arbeitspunkt A IU„ = UJ

(H)

Mit Gleichung (9) wird jetzt

damit erhält man Gleichung (10) zu

(13)

also den geforderten Quotienten nach Gleichung (7).

4. Umschaltbares Filter mit Verstärker (F i g. 4)

Die Ausgangswechselspannung U Jt) des Quotienten-Netzwerkes 4 wird durch ein Hochpaßfilter R₁C, ausgekoppelt, in V₁ verstärkt, in einem weiteren Verstärker V₂ zu einem zu 1/,,,(O proportionalen Strom umgewandelt und einem in % geeichten Registrierschreiber 7 zugeführt. Zur Erfassung auch von sehr niederfrequentmodulierten Impulsfolgeschwankungen (~ Geschwindigkeitsschwankungen) — hier 0,01 Hz — wird RjC₁ = 16 s dimensioniert; das aber bedeutet z. B. bei sequentiellem Betrieb des Gerätes mit mehreren Gebern unterschiedlicher mittlerer Drehzahl ein von R₁C₁ abhängiges, unzumutbar langes Einschwingverhalten des Gerätes. Darum wird die Zeitkonstante R₁C₁ mit T₁ so reduziert, daß sich C₁ in wenigen Sekunden auf U„_m einstellen kann. Gleichzeitig wird U_a,(t) durch ein mit T₂ einschaltbarcs Tiefpaß-Filter R₂C₂ vom Eingang des Hochpaßfilters getrennt.

Der Betrieb des Gerätes unter häufig sich ändernden Betriebsparametern (kontinuierliche oder spontane Änderungen des langzeitigen Mittelwertes U_111n, Überschreitung des Meßbereiches durch U₁Jt)) erfordert zur Vermeidung von Überlastungen des Registriergerätes sowie später unerklärlichen Diagramm-Aufzeichnungen eine Kontrolle des Gerätes durch eine Anzcigespcrrc. Solange der Impulsgeber keine Impulsfolge liefert (Maschincnstillstand), ist die Anzeige durch das Flip-Flop FF über die RuhcsiclUing des Mono-Flip-Flop MF über die Verbindung des Oder-Gatters R gesperrt, also T, leitend und T₂ gesperrt (die Source yon T^ liegt virtuell auf 0).

Überschreitet die von 0 an zunehmende Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers bei Maschincnanlauf einen vorgegebenen wert, so kippt das nachtriggcrburc Mono-Fllp-Flop MF nicht zurück, so daß die Mono-Flip-Flop-seltigo Sperrung des FF über den Ä-Eingang aufgehoben wird. Gleichzeitig wird aber Über den Impedanzwandler / der Kondensator C₁ auf U₁₁₁₁₁ geladen und hält das Gerlll mit dem Flip-Flop FF über den Ludestrom-Detektor /_rl - D mit dem Logikausgang /_fl Φ O über R so lange gesperrt, bis über C₁ kein Umladestrom mehr fließt. Ist C, geladen, so erscheint das Logiksignal /_cl = 0. Das Logiksignal l_c2 = 0 erscheint, wenn UJt) durch 0 geht. Beide Signale werden im Und-Gatter U verknüpft und geben das Flip-Flop FF frei. Damit wird T₁ gesperrt und T₂ nach einer Verzögerung Z leitend.

Ein Grenzwertdetektor GWl erzeugt an seinem Ausgang ein Logiksignal, wenn U Jt) die Meßbereichsgrenze des Gerätes, dargestellt durch eine Schwellspannung U_Gm, überschreitet. Eine erneute Sperrung des Gerätes kann jetzt nur noch mittels des Grenzwertdetektors GWl eingeleitet — und gegebenenfalls über das Logiksignal /_cl Φ 0 im oben beschriebenen Sinne aufrechterhalten werden, überschreitet UJt) eine zweite (digital einstellbare) Schwellspannung U_GWZ < U_GWl, so erzeugt der Grenzwert-Detektor GW2 an seinem Ausgang ein Logiksignal, das über ein nachtriggerbares Mono-Flip-Flop den Schnellvorschub eines Registrierschreibers einschaltet, überschreiten die relativen Impulsfolgeschwankungen bzw. Geschwindigkeitsschwankungen mit U Jt) die Schwellspannung U_GW2 pro Zeiteinheit mehrfach, so wird ein Alarmzeichen ausgelöst.

5. Kontroll- und Eich-Generator

Da eine betriebsmäßige Funktionsprüfung und Eichung des Gerätes mit am Geber künstlich erzeugten definierten Impulsfolgeschwankungen nicht möglich

)o ist, übernimmt diese Funktion ein eingebauter digital frequenzmodulierter Impuls-Generator der wahlweise mit dem Eingang des F/U-Wandlers — auch während der eigentlichen Messungen — verbunden werden kann. Hierbei erzeugt ein Quarz-Generator über einen Frequenzteiler mit digital feingestuft wählbarem Teilungsfakor eine Impulsfolgefrequenz. Durch eine kontinuierlich digitale Änderung des Teilungsfaktors in sehr kleinen Binär-Schritten zeitkonstanter Folge zwischen zwei digital festgelegten Grenzen entsteht eine quasi-linearc dreieckförmige Frequenzmodulation der Impulsfolgcfrcquenz mit absolut definiertem Frequenzhub. Die Hubfrequenz wird zweckmäßig so gewählt, daß diese weit unterhnlb der Grenzfiequcn/ des Schreibers liegt.

6. Technische Daten für ein Ausführungsbcispi'el

Mit dem oben beschriebenen Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frcqucnzschwun-

kungen einer Impulsfolge für einen Meßbereich ~g- «= ±-10% wurden folgende herausragendc Daten erzielt:

a) Die Bildung des Quotienten -^- über einet

Bereich von 1 U_1n bis S 40 IL.

b) Meßbereich der Schwankungsfrequenz 0,01 H: bis 100 Hz (-3 dB) für /(ί) δ 300 Hz (zur Dc flnition von f(t) siehe Gleichung 2).

c) Meßgenauigkeit Über den Quotientcnmcßbcrcici (,0 «£ il% für/(O £ 1300 Hz.

Hierzu 2 Blnll Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge, bei dem ein Frequenzspannungswandler und ein elektronisches Quotientennetzwerk in Reihe geschaltet sind, wobei das Quotientennetzwerk durch eben Vierpol mit nicht lbearer Kennlinie gebildet wird, dem die Schwankungsamplitude U, und der Mittelwert U_n, der Impulsfolge zugeführt werden und durch den Vierpol miteinander ins Verhältnis gesetzt werden, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Quotientennetzwerk aus einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie besteht, dessen Ausgang ein Hochpaßfilter nachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert U_n, am Ausgang des Quotientennetzwerkes (4) ändert, während gleichzeitig durch ein dem Hochpaßfilter vorgeschaltetes Tiefpaß-Sperrglied die Ausgangswechselspannung U_as{t) des Quotientennetzwerkes automatisch vom Eingang des Hochpasses getrennt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied ein RC-Tiefpaß (R₂C₂) ist, dessen Zeitkonstante mittels ebes Feldeffekttransistors T₂ umschaltbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 1—2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß ein CR-Glied [C₁R₁) ist, dessen Zeitkonstante mittels ebes Feldeffekttransistors T₁ zu niedrigeren Werten umschaltbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Gerätes beim Auftreten von Änderungen des langzeitigen Mittelwertes U_n, für die Dauer der daraus resultierenden Umladung der Kondensatoren C₁ und C₂ gesperrt wird.

5. Gerät nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter mittels des Feldeffekttransistors T₂ später geschaltet wird, als das Hochpaß-Filter durch den Feldeffekttransistor Ά-

6. Gerät nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigesperre vorgesehen ist, die in Funktion tritt, wenn die Schwankungsamplitude U_s(t) eben Grenzwert IZcHz₁ des Meßbereiches überschreitet.

7. Gerät nach Anspruch 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß ebe weitere Gre;nzwertschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche die Meßwertregistrierung jeweils für eine definierte Zeit erst dann freigibt, wenn die Schwankungsamplitude IZ₅(O einen digital ebstellbaren Grenzwert U_GW2 überschreitet.

8. Gerät nach Anspruch I—6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein digital-frequenzmodulierter Eichgenerator (8) zur Kontrolle und Eichung eingebaut ist.