DE2424015C2 - Ergometer - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer, bei dem ein Patient ein Rad in Umdrehungen versetzt und eine Reibungsbremse das Rad mit einer Bremskraft steuerbarer Größe abbremstThe invention relates to an ergometer in which a patient sets a wheel in revolutions and a Friction brake brakes the wheel with a braking force of controllable size
Ergometer dienen dazu, einen zu untersuchenden Patienten einer meßbaren Belastung zu unterwerfen. Häufig sind solche Ergometer nach Art eines Fahrrades aufgebaut; d. h. das Ergometer besitzt eine Tretkurbel, mit der der Patient ein Rad bzw, eine Scheibe in Umdrehungen versetzen kann. Das Rad wird mit einer einstellbaren Kraft abgebremst beispielsweise durch ein den Umfang des Rades teilweise umschließendes endloses Bremsband. Für die von dem Patienten aufgebrachte mechanische Leistung gilt dann folgende Beziehung:Ergometers are used to subject a patient to be examined to a measurable load. Such ergometers are often constructed like a bicycle; d. H. the ergometer has a crank, with which the patient can set a wheel or a disc in revolutions. The wheel comes with a adjustable force braked for example by a partially enclosing the circumference of the wheel endless braking band. The following then applies to the mechanical power exerted by the patient Relationship:
N-K · 2π · r · n, NK 2π r n,
worin TV die Leistung, K die Bremskraft am Umfang des Rades, r der Radius des Rades und π die Zahl der Umdrehungen des Rades pro Zeiteinheit bedeuten. Da in der vorgenannten Beziehung die Faktoren 2, η und r konstante Werte sind, ergibt sich, daß die Leistung N<xK · π ist (das Symbol α wird im folgenden in der Bedeutung »proportional zu« verwendet).where TV is the power, K is the braking force on the circumference of the wheel, r is the radius of the wheel and π is the number of revolutions of the wheel per unit of time. Since the factors 2, η and r are constant values in the aforementioned relationship, it follows that the power N <xK · π (the symbol α is used in the following to mean "proportional to").
Zum Messen der Bremskraft K kann beispielsweise eine Federwaage mit einseitig fest eingespannter Feder dienen, deren freies Ende mit dem Bremsband fest verbunden ist Die jeweilige Drehgeschwindigkeit des Rades läßt sich mit einem mit dem Rad gekuppelten Drehzahlmesser ermitteln, der die Drehgeschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute anzeigt Aus der gemessenen Drehgeschwindigkeit η und der gemessenen Bremskraft K läßt sich dann an Hand der obigen Beziehung die Leistung Λ/feststellen.To measure the braking force K , for example, a spring balance with a spring firmly clamped on one side, the free end of which is firmly connected to the brake band, can be used the measured rotational speed η and the measured braking force K can then be determined using the above relationship, the power Λ /.
Während bei einem nach dem vorstehend beschriebenen Prinzip arbeitenden Ergometer die Bremskraft auf einen bestimmten Wert fest eingestellt wird, ist die Höhe der Drehgeschwindigkeit in das Ermessen des Patienten gestellt Soll eine bestimmte Drehgeschwindigkeit eingehalten werden, so ist der Patient gezwungen, sich laufend an Hand einer Drehzahl-Anzeigevorrichtung über die momentane Drehgeschwindigkeit zu orientieren. Da die genaue Einhaltung einer konstanten Drehzahl in der Praxis kaum möglich ist schwankt die von dem Patienten aufgebrachte Leistung.While in an ergometer operating according to the principle described above, the braking force is applied If a certain value is fixed, the amount of rotation speed is at the discretion of the Patient posed If a certain rotational speed is to be maintained, the patient is forced to constantly on the basis of a speed display device about the current speed of rotation orientate. Since the exact maintenance of a constant speed is hardly possible in practice, the fluctuates power exerted by the patient.
Um den Patienten einer genau definierten Belastung zu unterwerfen, müßte dafür gesorgt werden, daß dasIn order to subject the patient to a precisely defined load, it would have to be ensured that the
Ergometer eine vorgegebene Leistung unabhängig von der jeweiligen Drehzahl verbrauchtErgometer consumes a given power regardless of the respective speed
Diese Forderung erfüllt beispielsweise ein in der DE-OS 15 41145 beschriebenes Ergometer mit Wirbelstrombremse und ein anderes bekannte-« Ergometer (DE-OS 1466837) mit einem von einem Patienten angetriebenen Gleichstromgenerator, mit dem ein bestimmter Lastwiderstand verbunden ist Bei dem zuletzt genannten Ergometer wird der durch eine Feldwicklung des Gleichstromgenerators fließende Feldstrom mittels einer elektronischen Regelschaltung derart geregelt, daß die Leistungsabgabe des Patienten unabhängig von der Drehgeschwindigkeit möglichst konstant bleibtThis requirement is met, for example, by an ergometer with eddy current brake described in DE-OS 15 41145 and another known- «ergometer (DE-OS 1466837) with one of a patient driven direct current generator to which a certain load resistance is connected The last-mentioned ergometer is the one flowing through a field winding of the direct current generator Field current regulated by means of an electronic control circuit in such a way that the power output of the patient remains as constant as possible regardless of the rotational speed
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ergometer mit einem von einem Patienten in Umdrehungen versetzten Rad und einer das Rad mit einer Bremskraft steuerbarer Größe abbremsenden Reibungsbremse zu schaffen, dessen auf einen vorgegebenen Wert eingestellte Leistung weitgehend unabhängig von der Drehgeschwindigkeit des Rades istThe invention is based on the object of providing an ergometer with one of a patient's revolutions offset wheel and a friction brake that decelerates the wheel with a braking force that can be controlled to create the output of which is set to a predetermined value largely independent on the speed of rotation of the wheel
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Ergometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine von der Drehgeschwindigkeit des Rades beeinflußbare und auf die Reibungsbremse einwirkende Steuervorrichtung vorgesehen ist, die die Bremskraft in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Rades derart verändert, daß das Produkt aus Drehgeschwindigkeit und Bremskraft auch bei Schwankungen der Drehgeschwindigkeit wenigstens annähernd einen vorgegebenen, einstellbaren Wert beibehältAccording to the invention, this object is achieved in an ergometer of the type mentioned at the outset in that that one can be influenced by the speed of rotation of the wheel and acts on the friction brake Control device is provided which adjusts the braking force as a function of the rotational speed of the wheel changed in such a way that the product of the rotational speed and braking force even with fluctuations in the Rotational speed at least approximately maintains a predetermined, adjustable value
Auf diese Weise läßt sich auch bei einem Ergometer mit Reibungsbremse eine von der jeweiligen Drehgeschwindigkeit unabhängige Leistungskonstanthaltung erzielen.In this way, even with an ergometer with a friction brake, one of the respective rotational speed can be determined Achieve independent constant performance.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Ergometer derart ausgebildet, daß die Reibungsbremse durch einen Elektromagneten betätigt wird, wobei die erzeugte Bremskraft dem Quadrat des durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes proportional ist, und daß die Steuervorrichtung eine elektrische Schaltung enthält, an deren Eingang eine der Drehgeschwindigkeit des Rades proportionale elektrische Spannung liegt und deren Ausgang eine zur Steuerung des Erregerstromes dienende, der GrößeIn a preferred embodiment of the invention, an ergometer is designed such that the friction brake is operated by an electromagnet, the braking force generated being the square of the through the electromagnet flowing excitation current is proportional, and that the control device a contains electrical circuit, at the input of which is proportional to the speed of rotation of the wheel electrical Voltage and the output of which is used to control the excitation current, the variable
-—-wenigstens annähernd proportionale Spannung- at least approximately proportional voltage
liefertsupplies
Ein Ergometer mit den vorgenannten Merkmalen läßt sich mit verhältnismäßig einfachen Mitteln realisieren, wobei in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein mit dem Rad gekuppelter Tachometergenerator zur Erzeugung der der Drehgeschwindigkeit proportionalen Spannung vorgesehen istAn ergometer with the aforementioned features can be made with relatively simple means realize, in a further embodiment of the invention a tachometer generator coupled to the wheel is provided for generating the voltage proportional to the rotational speed
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Schaltung ein Logik-Baustein in integrierter Schaltungstechnik. Auf diese Weise kann mit verhältnismäßig einfachen technischen Mitteln und bei geringstmöglichem Platz- und Strombedarf die Umwandlung einer ersten Spannung in eine zweite Spannung vorgenommen werden, die der BeziehungIn a further embodiment of the invention, the electrical circuit is an integrated logic module Circuit technology. In this way, with relatively simple technical means and with the least possible Space and power required to convert a first voltage into a second voltage be made that of the relationship
Sprüchen und werden an Hand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Alisführungsbeispiele näher erläutert In der Zeichnung bedeuten:Sayings and are explained in more detail on the basis of several examples shown in the drawing explained In the drawing:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ergometers mit drehzahlunabhängiger Brerasleistung,Fig. 1 is a schematic representation of an ergometer with speed-independent Breras power,
Fig.2 ein Blockschaltbild eines Logik-Bausteins in integrierter Schaltungstechnik,2 shows a block diagram of a logic module in integrated circuit technology,
Fig.3 ein Blockschaltbild eines Stromkreises zur Konstanthaltung der Ergometer-Leistung bei schwankender Drehzahl,Fig.3 is a block diagram of a circuit for Keeping the ergometer performance constant with fluctuating speed,
Fig.4 ein ausführlicheres Blockschaltbild eines ReglersundFigure 4 is a more detailed block diagram of a Reglersund
Fig.5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Ausgleichen des Restfehlers bei einer Schaltung nach Fig. 4.Fig.5 is a block diagram of a device for Compensation of the residual error in a circuit according to FIG. 4.
Ein Ergometer hat nach F i g. 1 ein Rad 1, das in einem Rahmen 2 gelagert ist und durch einen Patienten in Umdrehungen versetzt werden kann. Um einen Teil des Umfangs des Rades 1 ist ein biegsames, endloses Bremsband 3 geschlungen, das über eine Umlenkrolle 4 geführt ist, deren Abstand von einer Nabe 5 des Rades einstellbar ist. Je nach der Größe einer an der Umlenkrolle 4 angreifenden Kraft P kann das Bremsband 3 mehr oder weniger straff gezogen und die am Umfang des Rades wirksame Bremskraft K bzw. die von dem Patienten aufzubringende Leistung N verändert werden.According to FIG. 1 a wheel 1 which is mounted in a frame 2 and can be set in rotation by a patient. A flexible, endless brake band 3 is looped around part of the circumference of the wheel 1 and is guided over a deflection roller 4, the distance from which from a hub 5 of the wheel can be adjusted. Depending on the size of a force P acting on the pulley 4, the brake band 3 can be pulled more or less taut and the braking force K effective on the circumference of the wheel or the power N to be applied by the patient can be changed.
Für die von dem Patienten aufzubringende Leistung gilt die BeziehungThe relationship applies to the performance to be provided by the patient
N=K ■ 2π ■ r ■ n,N = K ■ 2π ■ r ■ n,
wobei K die Bremskraft, r der Radius des Rades und η die Drehgeschwindigkeit des Rades bedeuten. Da 2, η und r konstante Werte haben, läßt sich die vorstehende Beziehung zu N« K · π vereinfachen.where K is the braking force, r is the radius of the wheel and η is the speed of rotation of the wheel. Since 2, η and r have constant values, the above relationship can be simplified to N «K · π.
Wenn nun das vorliegende Ergometer derart beschaffen sein soll, daß es trotz Schwankungen der Drehgeschwindigkeit eine wenigstens annähernd konstante mechanische Leistung aufnimmt, so gilt dieIf the present ergometer is to be designed in such a way that, despite fluctuations in the Rotational speed absorbs an at least approximately constant mechanical power, the applies
■ Leistung konstant gehalten werden soll, dann muß dafür gesorgt werden, daß die Bremskraft K proportional dem reziproken Wert der Drehgeschwindigkeit η ist Da in dem Ausführungsbeispiel gemäß der F i g. 1 die Bremskraft K durch die auf die Andruckrolle 4 wirkende Kraft P bestimmt ist und beide Kräfte über den Reibungskoeffizienten zwischen dem Radumfang und dem Bremsband 3 einander proportional sind, gilt auch ■ Power is to be kept constant, then it must be ensured that the braking force K is proportional to the reciprocal value of the rotational speed η Since in the embodiment according to FIG. 1 the braking force K is determined by the force P acting on the pressure roller 4 and both forces are proportional to one another via the coefficient of friction between the wheel circumference and the brake band 3, also applies
die Beziehung P<x — . the relation P <x -.
Zum Einstellen der Karaft P dient eine Andruckvorrichtung 6, das ist zum Beispiel ein Elektromagnet Da die von einem Elektromagneten aufgebrachte Kraft proportional dem Quadrat des durch den Elektromagneten fließenden Erregerstromes /' bzw. der angelegten Spannung υ ist, muß zur annähernden KonstanthaltungA pressure device 6, for example an electromagnet, is used to set the Karaft P
der Leistung N die Kraft P« - und« P sein, woraus sich ableiten läßt, daß der Erregerstromof the power N the force P «- and« P, from which it can be deduced that the excitation current
5050
5555
bzw. f —or f -
/ oc —— bzw. cc ί — \
Vn \n / / oc —— or cc ί - \
Vn \ n /
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran-Further details and useful embodiments of the invention emerge from the sub-
65 sein muß. In analoger Weise ergibt sich für die an den Elektromagneten anzulegende Spannung die Beziehung 65 must be. The relationship for the voltage to be applied to the electromagnet results in an analogous manner
Um zu einer praktisch durchführbaren Leistungskonstanthaltung zu kommen, befindet sich nach F i g. 1 auf der Welle des Rades 1 ein Tachometergenerator 7, der eine der jeweiligen Drehgeschwindigkeit η proportionale Spannung abgibt. Die der Drehgeschwindigkeit proportionale Spannung ur des Tachometergenerators 7 wird einem Eingang einer Steuervorrichtung 8 zugeführt, die in F i g. 1 dem durch strichpunktierte Linien umrahmten Schaltungsteil entspricht. In der Steuervorrichtung 8 wird aus der von dem Tachometergenerator 7 gelieferten Spannung ut eine Spannung u abgeleitet, die proportional dem AusdruckIn order to achieve a practically feasible power constant maintenance, according to FIG. 1 on the shaft of the wheel 1, a tachometer generator 7, which outputs a voltage proportional to the respective rotational speed η. The voltage ur of the tachometer generator 7, which is proportional to the rotational speed, is fed to an input of a control device 8, which is shown in FIG. 1 corresponds to the part of the circuit framed by dash-dotted lines. In the control device 8, a voltage u is derived from the voltage ut supplied by the tachometer generator 7, which voltage is proportional to the expression
Eine elektrische Schaltung 9, die diese Gesetzmäßigkeiten erfüllt, kann beispielsweise durch einen Logik-Baustein 10 (vgl. F i g. 2) gebildet sein. Solche Bausteine sind unter der Bezeichnung »programmierbare Vielfachfunktions-Moduln« bekannt; vgl. zum Beispiel den Modul 433 der Firma Analog Devices. Bei dem in F i g. 2 dargestellten Logik-Baustein wird die Spannung ur einem ersten Eingang 11 zugeführt, während an zwei weiteren Eingängen 12 und 13 je eine als Stellgröße für die einzustellende Leistung N dienende Spannung u\ und ü2 angelegt werden kann. In einer logischen Schaltung 14 wird eine Spannung gebildet, die proportional dem Logarithmus des Verhältnisses aus den Spannungen ut und u\ entspricht Diese kleine Spannung liegt an einem ersten Eingang und eine weitere, von einer logischen Schaltung 15 gelieferte Spannung an einem zweiten Eingang einer Summenschaltung 16. Die von der logischen Schaltung 15 gelieferte Spannung verhält sich proportional zu dem Logarithmus der Spannung U2. Das am Ausgang der Summenschaltung 16 erhaltene Ergebnis wird in einer sogenannten Antilogschaltung 17 so umgewandelt, daß an einem Ausgang 18 des Logik-Bausteins 10 eine Spannung vorliegt, die der BeziehungAn electrical circuit 9 that fulfills these principles can be formed, for example, by a logic module 10 (see FIG. 2). Such modules are known as "programmable multiple-function modules"; see for example module 433 from Analog Devices. In the case of the FIG. 2, the voltage ur is fed to a first input 11, while a voltage u \ and u2 serving as a manipulated variable for the power N to be set can be applied to two further inputs 12 and 13. A voltage is formed in a logic circuit 14 which corresponds proportionally to the logarithm of the ratio of the voltages ut and u \ The voltage supplied by the logic circuit 15 is proportional to the logarithm of the voltage U 2 . The result obtained at the output of the summation circuit 16 is converted in a so-called antilog circuit 17 so that a voltage is present at an output 18 of the logic module 10 which corresponds to the relationship
folgt. Bei entsprechender Dimensionierung zweier Widerstände 19, 20 kann der Exponent m = - sein, so daß die weiter oben beschriebene Bedingung u bzw. ;follows. With the appropriate dimensioning of two resistors 19, 20, the exponent can be m = -, so that the above-described condition u or;
erfüllt werden kann.can be met.
An die durch den Logik-Baustein 10 gebildete elektrische Schaltung 9 in Fig.l schließt sich gegebenenfalls ein Verstärker 21 an, dessen Ausgang mit der Andruckvorrichtung 6 bzw. dem Elektromagneten verbunden istThe electrical circuit 9 formed by the logic module 10 in Fig.l closes possibly an amplifier 21, the output of which with the pressure device 6 or the electromagnet connected is
Eine weitere Art der Leistungskonstanthaltung bei schwankender Drehgeschwindigkeit wird an Hand der F ig. 3,4 und 5 erläutertAnother way of maintaining constant power when the rotational speed fluctuates is based on the Fig. 3, 4 and 5 explained
In F i g. 3 bezeichnet 22 einen Elektromagneten zum Betätigen einer Bremsvorrichtung 23, die dem Bremsband 3 in F i g. 1 entsprechen kann. Zu der Bremsvorrichtung 23 gehört ein in F i g. 1 mit 24 bezeichneter mechanisch-elektrischer Bremskraftmesser, der die Bremskraft am Umfang des Rades 1 mißt und eine derIn Fig. 3, 22 denotes an electromagnet for actuating a braking device 23, the brake band 3 in FIG. 1 can correspond. The braking device 23 includes a device shown in FIG. 1 labeled 24 mechanical-electrical brake force meter, which measures the braking force on the circumference of the wheel 1 and one of the
ίο jeweiligen Bremskraft K proportionale Spannung uk abgibt. Die Spannung uK und ein von einem Tachometergenerator 25 gelieferte Spannung uT, die der jeweiligen Drehgeschwindigkeit π des Rades 1 proportional ist, werden einer Vorrichtung 26 zugeführt, in welcher durch Multiplikation der Spannungen u/>und uT eine Spannung ws, gebildet wird, die proportional dem Produkt K · η ist. An die Vorrichtung 26 schließt sich ein Regler 27 an, dem gleichzeitig die Spannung uist und eine der vorgegebenen Soll-Leistung Nsou proportionale Spannung usoii zugeführt werden. Der Regler 27 bildet die Differenz zwischen der Spannung usou und der jeweiligen Spannung α/«. Wird die Spannungsdifferenz anschließend verstärkt, so ergibt sich für eine von dem Regler 27 abgegebene Regelspannung folgende Beziehung: ίο respective braking force K outputs proportional voltage uk . The voltage u K and a voltage u T supplied by a tachometer generator 25 , which is proportional to the respective rotational speed π of the wheel 1, are fed to a device 26 in which a voltage w s is formed by multiplying the voltages u /> and u T which is proportional to the product K · η . The device 26 is followed by a regulator 27, to which the voltage ui st and a voltage usoii proportional to the predetermined target power Nsou are fed at the same time. The regulator 27 forms the difference between the voltage usou and the respective voltage α / «. If the voltage difference is then increased, the following relationship results for a control voltage output by controller 27:
Ur = ("son - "to) · V, Ur = ("son - " to) · V,
wobei V die Verstärkung bezeichnet Mit der Spannung ur wird der Elektromagnet 22 gespeistwhere V denotes the gain. The electromagnet 22 is fed with the voltage ur
Damit die vorstehend beschriebene Schaltung funktioniert muß immer ein gewisser Restfehler, d. h. ein gewisser Differenzbetrag usou—uia, zur Steuerung vorhanden sein. Dieser Restfehler kann klein gehalten werden, wenn man die Verstärkung V entsprechend groß wähltIn order for the circuit described above to function, there must always be a certain residual error, ie a certain difference usou-uia, for the control. This residual error can be kept small if the gain V is chosen to be correspondingly large
Die F i g. 4 zeigt ein gegenüber der F i g. 3 ergänztes Blockschaltbild, in welchem mit 22 wieder der Elektromagnet mit 26 die Vorrichtung zum Multiplizieren und mit 27 der Regler bezeichnet sind. Die Vorrichtung 26 liefert auch hier wieder eine Spannung uia, die in einem Differenzverstärker 28 mit der Spannung usou verglichen wird. Die Differenzspannung usou—uia wird einer zu dem Regler 27 gehörenden Schaltung 29 mit PID-Verhalten zugeführt, an die sich ein Verstärker 30 anschließt, der die Spannung ur zum Betreiben des Elektromagneten 22 abgibtThe F i g. 4 shows a comparison with FIG. 3 supplemented block diagram, in which with 22 the electromagnet again with 26 the device for multiplying and with 27 the controller. The device 26 here again supplies a voltage uia which is compared in a differential amplifier 28 with the voltage usou. The differential voltage usou-uia is fed to a circuit 29 with PID behavior belonging to the regulator 27, to which an amplifier 30 is connected, which outputs the voltage ur for operating the electromagnet 22
Will man den vorgenannten Restfehler vermeiden, so kann man von einer Schaltung nach Fig.5 Gebrauch machen. In diesem Fall steuert die Spannungsdifferenz usou- Uta über die Schaltung 29 mit PID-Verhalten einen Motor 31, der sich je nach dem Vorzeichen der Spannungsdifferenz in der einen oder anderen Richtung dreht, bis die Spannungsdifferenz gleich Null wird. Mit der WeDe des Motors 31 ist ein Schleifer 32 eines Potentiometers 33 gekuppelt, an dem die zum Steuern des Elektromagneten 22 benötigte Spannung ur abgegriffen wird. Die abgegriffene Spannung kann in einem Verstärker 34 verstärkt werden.If one wants to avoid the aforementioned residual error, one can make use of a circuit according to FIG. In this case, the voltage difference usou- Uta controls via the circuit 29 with PID behavior a motor 31 which, depending on the sign of the voltage difference, rotates in one direction or the other until the voltage difference is equal to zero. A wiper 32 of a potentiometer 33, at which the voltage ur required to control the electromagnet 22 is tapped, is coupled to the winding of the motor 31. The voltage tapped off can be amplified in an amplifier 34.
Claims (9)
annähernd proportionale Spannung ^liefert Vn
supplies approximately proportional voltage ^
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