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Verfahren und Vorrichtung zur elektronischen Erfassung von Meßgrößen
und zur Mittelwertbildung hieraus bei periodisch sich ähnlich wiederholenden Vorgängen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektronischen Erfassung
von Meßgrößen und zur Mittelwertbildung hieraus bei sich periodisch wiederholenden
Vorgängen, die nicht exakt gleich verlaufen. Es können dabei alle Größen erfaßt
werden, die sich durch elektronische, annähernd linear arbeitende Meßwertaufnehmer
erfassen lassen, wie z. B. Drucke, Temperaturen, Drehmomente, Momentandrehzahl en
uswo Üblicherweise können solche Vorgänge durch Aufzeichnung der Meßwertverläufe
auf einem Schreiber oder einem Oszillographen oder durch Darstellung und Abfotografieren
vom Oszillographen registriert werden. Der jeweils interessierende Wert innerhalb
leder Periode, wie zo B. der Spitzendruck im Arbeitsdiagramm einer Kolbenkraftmaschine,
läßt sich aus den Kurvenverlöufen entnehmen und hieraus ein Mittelwert errechnen.
Dieses Verfahren ist arbeitsaufwendig und durch Fehler der Meßwertaufzeichnung und
-auswertung nicht sehr genau.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektronische, automatische Mittelwertbildung
bei erhöhter Genauigkeit zu ermöglichen1 wobei eine Messung auch bei hohen Wiederholgeschwindigkeiten
(hohe Drehzahlen) möglich und trotzdem nur ein geringer apparativer Aufbau erforderlich
ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß bei einer Aufeinanderfolge
der Perioden jeweils an einer bestimmt gleichen Stelle einzelner Perioden ein Meßwert
elektronisch erfaßt, digitalisiert und mit den Meßwerten vorangegangener Perioden
summiert wird, worauf nach Abschluß der Summation durch Division durch die Anzahl
der Messungen deren Mittelwert erhalten wird, Die Vorrichtung zur Durchfahrung dieses
Verfahrens kennzeichnet sich durch die Kombination eines Meßwertaufnehmers, der
gegebenenfalls mit einem Verstärker zusammenwirkt, mit einem Analog-Digitalwandler
und einem Additionsgerät zur Summierung der aufeinanderfolgenden Meßwerte sowie
einem die Meßwertsumme durch deren Anzahl dividierenden Rechengerät in Verbindung
mit einer nachgeschalteten Anzeige- und/oder Schreibvorrichtung und einer auf die
Anzahl der durchzuführenden Messungen einstellbaren digitalen Steuerung für das
Zusammenwirken der einzelnen Bausteile, auf die der den Meßzeitpunkt in einer Periode
festlegende Geber einwirkt.
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Erfindungsgemäß läßt sich durch Anwendung eines Sample and Hold Bausteines,
der dem Analog-Digitalwandler vorgeschaltet werden kann, die zur Umwandlung in einen
Digitalwert zur Verfugung stehende Zeit erheblich verlängern wird und dadurch die
Genauigkeit steigern.
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In besonderen Fällen kann auch der Analog-Digitalwandler durch einen
Spannungs-Frequenzwandler, verbunden mit einer Torschaltung, ersetzt sein.
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Zweckmäßig ist die digitale Steuerung so einstellbar1 daß nach Abschluß
der ersten Mittelwertbildung automatisch weitere Mittelwertbildungen zu anderen
Zeitpunkten der Periode erfolgen. Die Steuerung ist so gestaltet, daß selbsttätig
ein Ausdrucken oder z. B, ein Lochkartenstanzen von gemittelten Ergebnissen von
einem gesamten gemittelten Meßwertverlauf möglich wird. Andererseits ist die Streuung
der Einzelmeßwerte durch einzelne digitale Darstellung der Einzel meßwerte feststellbar.
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Die erFindungsgemäße Vorrichtung kann für die verschiedensten Messungen
und Untersuchungen Anwendung finden, wie z. B. für die laufende Messung von Kraft-
oder Druckverlöufen bei Arbeits- oder Werkzeugmaschinen, für Blutdruckmessungen
und -untersuchungen, Schallmessungen und Schwingungsuntersuchungen, die Messung
und Überwachung elektronischer Maschinen und Geräte oder beispielsweise für die
Messung von Radlasten bei Fahrzeugrädern mit Unwucht, die von der Fahrbahn zu unregelmäßigen
Schwingungen angeregt werden.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet sind Brennkraftmaschinen, Pumpen,
Gebläse und Kolbenmaschinen.
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Der Erfindungsgedanke läßt die verschiedensten Anwendungen und Ausführungsmöglichkeiten
zuç Eine davon ist anhand der beiliegenden Zeichnung wie folgt erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Druckmessung im
Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine und Fig. 2 ein dazugehöriger Zeit- und
Funktionsplan.
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Im folgenden wird das MeßverFahren am Beispiel der Erfassung des Druckverlaufes
im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine erläutert Bei dieser nach dem erfindungsgemößen
Verfahren arbeitenden Meßeinrichtung wird ein an die Kurbelwelle
anzuschließender
Impulsgeber und ein Totpunktmarkengeber zur Bezeichnung der Arbeitstakte verwendet,
die auf eine digitale Steuerung arbeiten sowie einq Meßwertaufnehmer und gegebenenfalls
ein Verstärker (in diesem Beispiels Druckaufnehmer mit Piezoverstärker), wobei erfindungsgemäß
eine Vorrichtung, z. B ein Sample and Hold Baustein, Anwendung findet zum Festhalten
des im Augenblick der Ansteuerung jeweils vorhandenen analogen meßwertproportionalen
Spannungswertes über eine Zeit hinweg, wie sie zur anschließenden genauen Umwandlung
in eine Impulsfolge oder einen digitalen Wert und zu dessen Mittelwertbildung notwendigen
Summation notwendig ist0 In Verbindung mit der zur Summation notwendigen Impulszähleinrichtung
oder einer digitalen Additions-und Subfraktionsschaltung und einer weiteren Schaltung,
die das summierte Ergebnis durch die Zahl der Summierungen und gegebenenfalls auch
durch einen Eichfaktor teilt, wird das gemittelte Ergebnis an einem zugeordneten
Anzeigegerät dargestellt.
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Als Impulsgeber läßt sich dabei eine an sich bekanntes mit der Kurbelwelle
zu verbindende Teilscheibe mit einer Teilung verwenden, die beliebig gestaltet sein
kann. Zweckmäßig ist es, eine Teilscheibe mit gleicher Winkel teilung zu benutzen.
Auch eine Teilscheibe mit einer gleichen Kolbenarbeitsröumen entsprechenden Teilung
ist beispielsweise verwendbar.
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Weiterhin ist als Impulsgeber ein an sich bekannter einstellbarer
Zeitgeber möglich, der von einer Marke auf der Kurbelwelle ausgelöst wird und der
entsprechend der vorliegenden Wi ederholgeschwi ndigkei t (Drehzahl) des Meßwertabl
aufes und der einstellbaren Zeitdauer an einem bestimmten Punkt des Meßwertablaufes
an die digitale Steuerung einen Impuls gibt.
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Bei dem Blockschalfbild gemäß Figur 1 ist in dem Zylinder 1 der Kolbenmaschine
2 ein Druckaufnehmer 3 eingesetzt. Auf die Kurbelwelle 4 ist hier eine Teilscheibe
5 aufgebracht, die beispielsweise nach Art einer Lichtschranke mit den
Impulsgebern
6 und 7 zusammenarbeitet. Auf ihrem Umfang ist die Teilscheibe 5 miT Markierungen,
Schlitzen, Bohrungen od; dgl, versehene Beim Umlauf der Scheibe 5 bzwe der Kurbelwelle
4 vermittelt der Impulsgeber 6 eine laufende Impulsgabe, während der Impulsgeber
7 Impulse nur abgibt beim Durchlauf des oberen Totpunktes (OT). Die digitale Steuerung
8 leitet nun entsprechend der vorgewähiten Anzahl n (Vorwahl 9) der zur Mittelwertbildung
heranzuziehenden Meßpunkte n -Mal die Auswertung des Meßsignales an einer durch
eine Eingabe 10 festgelegten Position der Schlitzscheibe 5 ein Die vom Druckaufnehmer
3 ermittelten Drücke ehen uber einen Vorverstärker 11 in den Sample and Hold Baustein
12 ein, In diesei-f Teil wird ebenfalls der Auswertezeitpunkt durch die digitale
Steuerung 8 eingegeben. Vom Sample and Hold Baustein 12 gelangen die Werte zu einem
Spannungs-Frequenzwandler 13 oder zu einem anderen irgendwie gearteten Analog-Digi
talwandl r.
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Der im Druckaufnehmer 3 und im Verstärker 11 in eine proportionale
Spannung umgesetzte Druck wird in dem Spannungs-Frequenzwandler 13 und durch das
Tor 18 in eine dem Druck proportionale Anzahl von Impulsen umgesetzte Von 13 bzw.
18 laufen die Werte in eine Additionsstufe 14. Nach Abschluß der Addition der n
Werte wird das Ergebnis in der Divisionsstufe 15 durch die in 9 eingegebene Zahl
n und eventuell durch einen Eichfaktor geteilt und in der Anzeige 16 zur Anzeige
gebracht bzw. in einem angeschlossenen Drucker 17 ausgedruckt«, Die Anzeige 16 bzw.
der Drucker 17 bringen als Ergebnis den aus n Meßwertverlöufen gemittelten Wert
für den Druck'an der in 10 vorgewöhlten Stelle des Meßwertverlaufes.
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Bei einem vereinfachten Gerät kann die Divisionsstufe entfallen. Die
Anzeige muß dann nachträglich durch den Auswertenden durch die Zahl n und den Eichfaktor
dividiert werden.
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Anhand des Zeit- und Funktionsplanes gemäß Fig. 2 ist das erfindungsgemäße
Verfahren bzw. die Arbeitsweise der neuen Meßanordnung zu erklären. Die oberste
Kurve stellt den Verlauf des Druckes für einen Viertaktmotor dar. Die darunter eingetragene
Linie verkörpert die Aufeinanderfolge der Auswertimpulse, die von der digitalen
Steuerung 8 zum Sample and Hold Baustein 12 gelangen, für den Fall, daß in der Eingabe
10 in Fig. 1 zO BX der Wert für 100 KW nach OT eingegeben ist. Die darunter liegende
Kurve zeigt die Funktion des Sample and Hold Bausteines0 Beim ersten Auswertimpuls
liegt die Spannung U1 vor. Diese wird über einen längeren Zeitraum festgehalten
und fällt nach Ende des Meßzeitimpulses wieder auf den Wert der Druckkurve zurück.
Die weiter darunter liegenden Kurven zeigen den Meßzeitimpuls, den Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers
und schließlich die Impulse, die in die Mditionsstufe gelangen. Die Anzahl dieser
Impulse ist proportional der Spannung U1* Dasselbe wiederholt sich bei einem Viertaktmotor
nach zwei Umdrehungen mit einem an der gleichen Stelle vorliegenden etwas abweichenden
Wert U2. Die digitale Steuerung stellt das zeitlich richtige Aufeinanderfolgen der
einzelnen Funktionen des Meßgerätes sicher und erzeugt-außerdem den Meßzeitimpuls
für die Torschaltung.
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Um eine Möglichkeit zu haben, die Streuung der Einzelwerte festzustellen,
ist es bei dem beschriebenen Gerät möglich, die vor der Summationsstufe anliegenden
digitalen Impulstulgen einzeln abzufragen und falls notwendig in zeitlich verlangsamter
Darstellung z. B. durch Geschwindigkeitstransformation auf einem Bandgerät oder
durch Speicherung von Einzel ergebnissen in digitalen elektronischen Speichern einzeln
darzustellen oder auch auszudrucken.
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Eine Sonderform des Meßgerätes ist möglich, indem die in Fig. 1 unter
Nr. 10 aufgeführte Eingangsstufe entfällt und statt dessen die digitale Steuerung
so umgestaltet wird, daß nach Beendigung einer Summation von n Zylinderdruckwerten
und dem Ausdrucken des durch n geteilten Mittelwertes auf einem Drucker die Steuerung
selbsttätig auf den nächsten von der Teilscheibe vorgegebenen
Winkel
für die nächste Mittelwertbildung übergeht Man erhält so automatisch eine fortlaufende
Reihe von Mittelwerten, die den gesamten gemittelten Kurvenverlauf der Meßgröße
beschreibt. FUr diese Sonderform des Gerätes wäre auch z. B. eine Lochkartenausgabe
der Meßwerte zur einfachen Weiterverarbeitung zu empfehlen.
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Zusammengefaßt sind für das neue Meßgerät folgende Vorteile besonders
zu erwähnend 1. Die Möglichkeit, gemittelte Einzel ergebnisse ohne jeden Auswerteaufwand
in großer Anzahl zu erhalten.
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2. Die hköglichkeit, direkt am Versuchsstand charakteristische Mittelwerte
zu erhalten und damit Änderungen an der Maschine sofort und zuverlässig beurteilen
zu können.
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3. Die Einsatzmöglichkeit des Gerätes zu einer Maschinenüberwachung
im Dauerbetrieb, da eine automatische Mittelwertbildung kurzfristige (zumassige)
Meßwertschwankungen el emi niert.
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4. Die Anwendungsmöglichkeit des Gerätes auch für sehr hohe Wiederholfrequenzen
(Drehzahlen).
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5. Die sehr gute Genauigkeit der digitalen Ergebnisauswertung.
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6. Die Anwendbarkeit des Gerätes auf alle elektronisch erfaßbaren
Meßgrößen.
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7. Die Möglichkeit, einen gesamten gemittelten Kurvenverlauf durch
eine fortlaufende Reihe von einzelnen Mittelwerten zu erhalten.
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8. Die Möglichkeit, auch die Streuung der Einzelwerte feststellen
zu können.