DE2418328A1 - Verfahren und anordnung zum messen der relativen phasenverschiebung zwischen zwei impulszuegen - Google Patents

Verfahren und anordnung zum messen der relativen phasenverschiebung zwischen zwei impulszuegen

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DE2418328A1 DE2418328A DE2418328A DE2418328A1 DE 2418328 A1 DE2418328 A1 DE 2418328A1 DE 2418328 A DE2418328 A DE 2418328A DE 2418328 A DE2418328 A DE 2418328A DE 2418328 A1 DE2418328 A1 DE 2418328A1
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Description

F* ate nisi η waits
P. BkETZ sen.
Dr.-ir.g. K. :j - : T Z Jr. 2 4 I O O
Mönchen 22, Steinsdorfstr. 10
80-22.491P(22.492H) 16.4.1974
Sverre George SEM-SANDBERG, Händen (Schweden)
Verfahren und Anordnung zum Messen der relativen Phasenverschiebung
zwischen zwei Impuls zügen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der relativen Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Impulszügen derselben Frequenz l/T, wobei die während eines bestimmten Zeitintervalls in einem der Impulszüge auftretende Anzahl von Impulsen gezählt wird, und wobei die Zeit t zwischen einem Impuls in dem einen Impulszug und einem danach in dem anderen Impulszug auftretenden Impuls durch eine Anzahl von Impulsen bekannter Frequenz registriert wird, die proportional zu dieser Zeit ist.
Derartige Impulszüge treten häufig auf, unter anderem in einer Drehzahl- und Winkelunterschied-Meßanordnung, die weiter unten ge-
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80-(7305364)-DW-r (8)
nauer beschrieben wird. Wenn die relative Phasenverschiebung zwischen den Impulszügen gemessen werdensoll, genügt es im allgemeinen nicht, den entsprechenden Zeitunterschied zu messen, da die Wiederholfrequenz des Impulszuges oft unbekannt ist.
Die Erfindung betrifft ein besonders einfaches Verfahren zum Bestimmen der relativen Phasenverschiebung t/T zwischen zwei Impulszügen derselben Frequenz, wobei T unbekannt und schnell veränderlich sein kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein besonders einfaches Verfahren zum Bestimmen der genannten Phasenverschiebung t/T zwischen zwei Impuls zügen derselben, aber unbekannten Frequenz zu bestimmen, die zudem schnell veränderlich sein kann.
Dies wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der relative Phasenunterschied t/T bestimmt wird durch die der Zeit t entsprechende, in einen Multiplizierer eingespeiste Anzahl von Impulsen, wobei der Multiplikationsfaktor des Multiplizierers proportional zur während dieses Zeitabschnittes gezählten Anzahl von Impulsen in einem der Impulszüge ist, so daß die durch den Multiplizierer abgegebene Anzahl von Impulsen ein Maß für die gemessene relative Phasenverschiebung t/T ist.
Zum Durchführen des Verfahrens ist eine Anordnung mit einer ersten Einrichtung zum Zählen der Anzahl von Impulsen, die in einem der Impulszüge während eines bestimmten Zeitintervalls auftreten, und zum Speichern der gezählten Anzahl, und mit einer zweiten Einrichtung
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zum Aussenden von Impulsen bekannter Frequenz, deren Anzahl proportional ist zur Zeit t zwischen einem Impuls in dem einen Impuls zug und einem nachfolgenden Impuls in dem zweiten Impuls zug dadurch gekennzeichnet , daß die durch die zweite Einrichtung abgegebenen Impulse in einen Multiplizierer einspeisbar sind, dessen zweiter Eingang an die erste Einrichtung zum Einspeisen der Anzahl der darin gespeicherten Impulsen angeschlossen ist.
Besonders vorteilhafte Ausführungsbeispiele dieser Anordnung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung wird näher anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a und Ib das Entwurfsprinzip eines Geräts zum Aussenden der genannten Impulszüge,
Fig .2-6 verschiedene Ausführungsbeispiele nach diesem Ent~ wurf,
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Anordnung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
Fig. 8 einige verschiedene Signale in der Anordnung nach Fig. 7.
Die erfindungsgemäße, in Fig. 7 dargestellte Anordnung wird nun zusammen mit Impulszügen näher erläutert, die aus einem im Prinzip in den Fig. la und Ib dargestellten Gerät erhältlich sind. In diesen
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beiden Figuren sind zwei auf einer Welle 3 angeordnete Scheiben oder Teller 1 und 2 dargestellt. Die Welle 3 kann mit Bezug auf die Scheiben frei rotieren, indem z.B. Kugellager zwischen der Welle und den entsprechenden Scheiben angebracht sind. Die Scheiben 1 und 2 sowie die Welle 3 können sich unabhängig voneinander und mit unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Winkelgeschwindigkeiten drehen.
Wenn zwei Schalter 4 bzw. 5 je an einer Scheibe bzw. ein Arm 6 an der Welle in der in Fig. 1 b dargestellten Weise befestigt sind, werden diese Schalter jedesmal betätigt (geöffnet oder geschlossen), wenn der Arm den entsprechenden Schalter passiert.
Die Scheiben 1 und 2 können als ruhend angenommen werden, jedoch derart eingestellt, daß die Schalter einen bestimmten Winkel zueinander aufweisen. Durch die Welle 3 wird dann sowohl der Schalter 4 als auch der Schalter 5 einmal pro Umdrehung betätigt, so daß die Schalterbetätigungsfrequenz direkt proportional zur Wellendrehzahl ist. Allerdings existiert eine bestimmte Zeitversetzung zwischen dem Betätigen beider Schalter, und zwar abhängig von der Winkel verschiebung zwischen der Scheibe 1 und der Scheibe 2. Die Betätigung tritt nur dann gleichzeitig auf, wenn die Schalter einander exakt gegenüberstehen .
Wenn an der Scheibe 2 eine Windfahne und an der Welle 3 die Schalen eines Windstärkemessers befestigt werden, kann das Gerät zum Messen sowohl der Windrichtung als auch der Windgeschwindigkeit verwendet werden. Die Anzahl der Schalterbetätigungen pro Zeiteinheit ist dann eine Funktion der Windgeschwindigkeit,und der Zeit-
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unterschied zwischen den Betätigungen des Schalters 4 und des Schalters 5 ist ein Maß für die Windrichtung bezüglich einer Geraden durch die Achse der Welle und den Schalter 4.
Eine praktisch eingesetzte Anordnung wird etwas anders als in der Fig. 1 ausgeführt sein, insbesondere hinsichtlich des Arms 6 und der Schalter 4 und 5. Es gibt eine Anzahl von praktischen Lösungen, um die genannte Schalterbetätigung zu bewirken, und einige davon werden anschließend mit Bezug auf die Fig. 2 - 5 in gedrängter Form angegeben .
Fig. 2 zeigt ein Gerät, das im Prinzip sehr ähnlich zu der eben beschriebenen ist. Anstelle des Arms 6 ist ein Dauermagnet 7 fest auf der Welle befestigt, wobei der Magnet Reed-Schalter oder Schutzrohr-Schalter 4' bzw. 5' betätigt, deren jeder auf je einer Scheibe angeordnet ist. Es ist bekannt, daß diese Reed-Schalter schließen, wenn sie einem Magnetfeld mit geeigneter Richtung ausgesetzt werden. Der Dauermagnet 7 bewirkt also, daß ein Kontakt hergestellt wird, wenn er während der Drehung der Welle direkt über oder unter dem Reed-Element 41 bzw. 5' vorbeiläuft.
In Fig. 3 sind die Reed-Schalter durch insgesamt vier Induktionsspulen ersetzt, d. h. durch zwei Spulen pro Scheibe. Die Spulen 8 und 9 bzw. 10 und 11 jeder Scheibe sind derart in Reihe geschaltet, daß sie miteinander zusammenwirken.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei unterschiedliche Lösungen für die Verwendung von optoelektronischen Kopplern dargestellt. Die in Fig. 4
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dargestellte Anordnung besteht aus einer Leuchtdiode (LED) 13' bzw 13" und einem Phototransistor 14 · bzw. 14", die zusammen eine sog. optische Gabel bilden, die an beiden Scheiben befestigt ist. Ein an der Welle 3 befestigter Arm 12 läuft während der Drehung des Arms zwischen der LED und dem Phototransistor hindurch, wodurch der Transistor gesperrt wird. Die LED sendet vorzugsweise eine Strahlung im UV-Bereich aus und kann aus Galliumarsenid bestehen. Anstelle eines Phototransistors können auch andere Photoelemente, z. B. Photodioden, Verwendung finden.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Gerät sind die Phototransistoren 14' und 14" wie in Fig. 7 jeweils starr an der entsprechenden Scheibe befestigt, während die LED's 15' und 15" auf einem sich mit der Welle 3 drehenden Arm 16 befestigt sind. Die Phototransistoren nehmen somit bei jeder Umdrehung der Welle 3 einen Lichtimpuls auf. Der Arm 16 kann zum Ausgleichen mit einem Gegengewicht 17 versehen sein.
Die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauelementen der Fig .2-5 sind nicht dargestellt. Das einfachste und naheliegendste Verfahren besteht in der Verwendung von Schleifringen und in der Ausnutzung der durch die Welle gegebenen Möglichkeit.
Fig. 6 zeigt perspektivisch und teilweise im Schnitt den in Fig. 2 dargestellten Aufbau, der zum Messen der Windgeschwindigkeit und der Windrichtung verwendet wird. Die obere Scheibe ist als Becher 2' und 2" ausgebildet, an dem die Windfahne 18 befestigt ist, und der sidi frei mit dieser drehen kann. Die untere Scheibe 1 wird durch eine Befestigung 19 festgehalten. Der Becherrand ist auf Kugeln 20 in der
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Scheibe 1 gelagert. Die Welle 3 kann sich zusammen mit den Schalen 21 des Windstärkemessers frei drehen. Die Figur zeigt weiterhin das untere Reed-Element 41 und den Dauermagneten 7, der sich mit der Welle dreht. Bei diesem Aufbau kann ein zweiter elektrische" Weg vom Becher zur Scheibe 1 geschaffen werden.
Das anhand der Fig. 1-6 beschriebene Gerät sendet somit zwei Impulszüge derselben Wiederholfrequenz, jedoch im allgemeinen zeitlich gegeneinander versetzt, aus. Die Signalverläufe dieser beiden Impulszüge sind in den Fig. 8 (a) und (b) dargestellt. Zum Messender Wiederholfrequenz 1/Γ und der Zeitversetzung t werden beide Impulszüge in Eingänge 30 und 31 einer in Fig. 7 gezeigten Anordnung eingespeist . Das Impulssignal aus dem Schalter auf der ruhenden Scheibe (oder aus einer zu diesem Schalter äquivalenten Schaltung) wird in den Eingang 30 und von dort über einen Verstärker 32 in einen Zähler 33 eingespeist. Dieser Zähler wird in gleichmäßigen Zeitabständen durch ein Monoflop oder einen Univibrator 34 zurückgesetzt, das aus einer Zeitsteuerschaltung gespeist wird. Das Monoflop 34 hat zwei Ausgänge, deren Ausgang 36 den Löscheingang des Zählers 33 und deren Ausgang 35 Lesegatter eines Zwischenspeichers 37 speisen. Das Monoflop ist derart ausgebildet, daß ein Impuls am Ausgang 36, unmittelbar nachdem der Impuls am Ausgang 35 abgeklungen ist, auftritt. Der Impuls am Ausgang 35 ermöglicht eine Übertragung der Information im Zähler 33 zum Zwischenspeicher 37. Der Impuls am Ausgang 36 löscht den Zähler 33, der danach wieder zum Zählen der Impulse vom Eingang 30 bereit ist. Somit ist ersichtlich, daß der im Zwischenspeicher gespeicherte Zählerstand ein Maß für die Impulsfrequenz am Eingang 30 darstellt, d. h. ein Maß z. B. der Windgeschwindigkeit.
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Der Zeitunterschied zwischen Impulsen an den Eingängen 30 und 31 ist ein Maß für den Momentanwinkel zwischen den Positionen der Schalter oder dergleichen in einem Gerät gemäß den Fig. 1-6. Derjenige Teil der Anordnung in Fig. 7, der zum Messen dieses Winkels verwendet wird, wird nun näher beschrieben.
Ein (bistabiles) Flipflop 38 ist mit seinem Setzeingang (S-Eingarig) an den Ausgang des Verstärkers 32 angeschlossen und mit seinem Löscheingang (R-Eingang) an den Ausgang eines Verstärkers 39, der die am Eingang 31 anliegenden Impulse verstärkt. Ein UND-Gatter. 40 wird vom Q-Ausgang des Flipflops 38 und von einem Impulsgenerator 41, der eine konstante Impulsfrequenz f abgibt, gespeist. Es versteht sich, daß die Impulse an den Eingängen 30 und 31 das Flipflop derart setzen und löschen, daß das Gatter 40 eine Anzahl von Impulsen aus dem Impulsgenerator 41 während des Zeitintervalls 6 durchläßt. In Fig. 8 ist das Signal (c) am Q-Ausgang des Flipflops 38 dargestellt, außerdem das Ausgangssignal (d) des Generators 41 und das Ausgangssignal (e) des UND-Gatters 40.
Die Anzahl der durch das UND-Gatter 40 während des Zeitintervalls t durchgelassenen Impulse kann gleich η gesetzt werden, mit
η = t
f P
wobei f die Frequenz des Generators 41 ist. Indem in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Gerät berechnet sich der gesuchte Winkel zwischen den Positionen beider Scheiben, ausgedrückt in Grad, zu
OC= (t/T) · 360 (2),
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und das Ersetzen von t aus Gleichung (l) ergibt
CC- P7J-S (3)
Zunächst sei die Impulswiederholfreqüenz 1/Γ konstant und bekannt, so daß der Winkel oC eindeutig mit Hilfe der abgelesenen Zahl η und durch Gleichung (3) bestimmbar ist. Wenn fp = 360/Γ gewählt wird, ergibt die abgelesene Zahl η den Winkel oCdirekt in Grad. Durch Erhöhen von fp um den Faktor 10, 100 usw. läßt sich der Winkel mit 1/10, 1/100 usw. eines Grads messen. Die Genauigkeit wird durch die Genauigkeit des Wandlers bzw. Umsetzers und die Genauigkeit in der den Frequenzgenerator enthaltenden Digitalschaltung bestimmt. Die Impulse aus dem UND-Gatter 40 können über eine strichliniiert dargestellte Verbindung 42 an einen Zähler 43 übertragen und im Zähler akkumuliert bzw. gespeichert werden, worauf die akkumulierte Zahl unter der Kontrolle eines Monoflops 45 in einen Zwischenspeicher 44 übertragen werden kann. Dieses Monoflop wird über den Q-Ausgang des Flipflops durch das in Fig. 8 (f) dargestellte Signal gesteuert. Jede positive Anstiegsflanke in diesem Steuersignal bewirkt, daß das Monoflop 45 ein kurzes Signal an seinem Ausgang 46 abgibt, worauf der Zählerstand des Zählers 43 zum Zwischenspeicher 44 übertragen wird. Unmittelbar nach diesem kurzen Signal gibt das Monoflop 45 ein kurzes Signal an seinem Ausgang 47 ab. Dieses Signal wird zum Nullsetzen des Zählers 43 verwendet. Die nun im Speicher 44 gespeicherte Zahl kann anschließend zum Speisen einer numerischen Anzeigeeinheit und/oder anderweitig während der Signalverarbeitung verwendet werden.
Bisher wurde angenommen, daß die Impulswiederholfrequenz 1/Γ 409844/0791
der in die Anordnungseingänge 30 und 31 eingespeisten Impulse konstant ist. Da T in dem in den Fig .1-6 dargestellten Gerät innerhalb weiter Grenzen veränderlich ist, muß das vom UND-Gatter 40 erhaltene Signal in der Praxis in geeigneter Weise geändert werden, bevor es in den Zähler 43 eingespeist wird. Wenn die Frequenz f mit Rücksicht auf den kürzesten Zeitabstand T . , der für T zu er-
min
warten ist, bestimmt wird, versteht sich, daß die Anzahl der Impulse aus dem UND-Gatter sehr groß ist, wenn T große Werte annimmt. Vor dem Einspeisen dieser Impulse in den Zähler 43 müssen sie deshalb mit einem zur Wiederholfrequenz l/T "der Impulse proportionalen Faktor multipliziert werden. Dieser Faktor ist immer im Zwischenspeicher 37 gespeichert, und die Multiplikation selbst findet in einem Multiplizierer 48 statt, z. B. in einem Bitraten-Multiplizierer, der zwischen dem Ausgang des UND-Gatters 40 und dem Eingang des Zählers 43 angeschlossen ist.
Ein derartiger Multiplizierer ergibt eine Anzahl von Impulsen η', die die Anzahl η der eingespeisten Impulse enthält, multipliziert mit dem Ausdruck A/A , wobei A die momentan zu multiplizierende
max
Zahl und A der Maximalwert für A ist, der eingestellt werden max a
kann. Somit erhält man stets weniger Ausgangsimpulse, als der Anzahl der eingespeisten Impulse entspricht. Ein Multiplizierer dieser Art ist allgemein bekannt, so daß seine Einzelheiten, Funktion und Konstruktion nicht näher erläutert wird.
Da das Multiplizieren, im vorliegenden Fall mit dem Wert 1/Γ,
im Speicher 37 erfolgt, versteht sich, daß A/A = T . /I" ist, wo-
1^ a ' max min '
bei T . , wie erwähnt, der minimale Wert für T ist, den die Anordmin
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nung verarbeiten muß. Die Anzahl der Ausgangsimpulse aus dem Multiplizierer ist gegeben durch:
n1 = (T . A) · η (4)
min
Wie oben erhält man den gesuchten Winkel aus der Gleichung (3), die mit Hilfe von Gleichung (4) neu angeschrieben werden kann:
ρ mm
Dieser Ausdruck ist natürlich vollständig unabhängig vom laufenden Wert von T, und der gesuchte Winkel OC kann deshalb allein aus den bekannten Werten für f und T . sowie dem Auslesewert
ρ mm
n1 bestimmt werden. Die Anzahl n1 der ausgelesenen Impulse gibt den Winkel direkt in Grad an, wenn die Frequenz f des Generators
zu 360A . gewählt wird,
min y
Bei einem im Zusammenhang mit den Umsetzern der Fig. Ibis 6 auftretenden Fall kann T z. B. zwischen 2 s und 2 ms geändert werden. Wenn entschieden ist, daß die Anordnung nicht bei einem T kleiner als 2 ms arbeiten muß, kann der Winkel direkt in Grad erhalten werden, wenn die Generatorfrequenz zu 360/(2 · 10 ) gewählt wird, d. h. f =180 kHz.
Der Ausgang 47 des Monoflops 46 ist nicht nur an den Nullsetzeingang des Zählers 43 angeschlossen, sondern auch an den Nullsetzeingang des binären Multiplizierers 48. Nachdem Übertragendes
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Zählerinhalts zum Zwischenspeicher 44, was beim Auftreten eines Impulses nach Fig. 8 (g) erfolgt, werden sowohl der Zähler 43 als auch der Multiplizierer 48 durch den am Monoflopausgang 47 auftretenden Impulse gelöscht, der in Fig. 8 (h) dargestellt ist, so daß die Anordnung für den nächsten Impuls am Eingang 30 vorbereitet ist.
Trotz der Beschreibung der Anordnung von Fig. 7 mit Bezug auf eine kombinierte Windgeschwindigkeits- und Windrichtungs-Meßanordnung ist selbstverständlich, daß das der Anordnung zugrundeliegende Prinzip auch in vielen anderen Anwendungsfällen verwendbar ist.
Eine offensichtliche Anwendung ist das Messen von Zeit- oder Phasenunterschieden zwischen zwei gegeneinander zeitlich versetzten elektrischen Signalen gleicher Frequenz.
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    Ij Verfahren zum Messen der relativen Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Impulszügen derselben Frequenz l/T, wobei T die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen desselben Impulszugs ist, in dem eine Zählung der Anzahl von während eines bestimmten Zeitabschnitts in einem der Impulszüge auftretenden Impulsen durchgeführt wird, wobei die Zeit t zwischen einem Impuls in dem einen Impulszug und einem folgenden Impuls in dem zweiten Impulszug durch eine zu dieser Zeit proportionalen Anzahl von Impulsen gegebener Frequenz registriert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der relative Phasenunterschied t/T bestimmt wird durch die der Zeit t entsprechende, in einen Multiplizierer (48) eingespeiste Anzahl von Impulsen, wobei der Multiplikationsfaktor des Multiplizierers proportional zur während dieses Zeitabschnittes gezählten Anzahl von Impulsen in einem der Impulszüge ist, so daß die durch den Multiplizierer abgegebene Anzahl von Impulsen ein Maß für die gemessene relative Phasenverschiebung t/T ist (Fig. 7).
  2. 2. Anordnung zum Messender relativen Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Impulszügen derselben Frequenz l/T und zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer ersten Einrichtung zum Zählen der während eines bestimmten Zeitabschnittes in einem der Impulszüge auftretenden Impulse und zum Speichern der gezählten Anzahl, sowie mit einer zweiten Einrichtung zum Aus-
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    senden einer zur Zeit T zwischen einem Impuls in dem einen Impulszug und einem folgenden Impuls in dem zweiten Impulszug proportionalen Anzahl von Impulsen bekannter Frequenz,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die durch die zweite Einrichtung (38, 40, 41) abgegebenen Impulse in einen Multiplizierer (48) einspeisbar sind, dessen zweiter Eingang an die erste Einrichtung (33, 37) zum Einspeisender Anzahl der darin gespeicherten Impulsen angeschlossen ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung enthält einen Zähler (33) und einen daran angeschlossenen Speicher (37), wobei eine Schaltung (34) zum Übertragendes Zählerinhalts zum Speicher am Ende des Zeitabschnitts dient.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung enthält ein Flipflop (38) und ein UND-Gatter (40), von dem angeschlossen sind: ein erster Eingang an einen Ausgang des Flipflops, der Ausgang an den binären Multiplizierer (48), und ein zweiter Eingang an einen Impulsgenerator (41), wobei das Flipflop (38) durch die Impulse aus dem einen Impulszug gesetzt und durch die Impulse aus dem zweiten Impulszug gelöscht wird.
  5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Multiplizierers (48) an einen zweiten Zähler (43) angeschlossen ist, und daß ein zweiter Speicher (44) die Anzahl der im Zähler (43) registrierten Impulse speichert.
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  6. 6. Anordnung nach Anspruch 5 mit 4, dadurch gekennzeichnet, daß angeschlossen sind: der Eingang eines mit zwei Ausgängen versehenen Monoflops (45) an den zweiten Eingang des Flipflops (38), sein erster Ausgang (46) an einen Steuereingang des zweiten Speichers (44) und sein zweiter Ausgang (47) an den Nullsetzeingang des zweiten Zählers (43) und an den Multiplizierer (48).
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    Leerseite
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