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Einrichtung zur Lageerkennung eines beweglichen Körpers Die Erfindung
bezieht sich auf eine Einrichtung zur Lageerkennung eines wenigstens zwei Markierungselemente
enthaltenden beweglichen Körpers, insbesondere einer mit der Antriebswelle einer
Brennkraftmaschine gekuppelten Scheibe, der in Verbindung mit einem ortsfesten Geberteil
einen Impulsgeber bildet, sowie einer dem Impulsgeber nachgeschalteten Impulsformerstufe.
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Solche Einrichtungen finden beispielsweise bei Brennkraftmaschinen
Verwendung, wo zur Erzielung einer maximalen Leistungsabgabe und minimaler Schadstoffemission
ein optimaler Zündzeitpunkt zu wählen ist. Dieser optimale Zündzeitpunkt setzt jedoch
ein Referenzsignal voraus, bezüglich dessen der Zündzeitpunkt abhängig von Temperatur,
Druck und Drehzahl berechenbar ist.
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Ein bekanntes System sieht auf einer mit der Antriebswelle der Brennkraftmaschine
verbundenen Scheibe z.B. einen einzelnen Zahn vor, der in Verbindung mit einem ortsfesten
induktiven Geberteil ei.nen Auslöseimpuls abgibt. Dem eine Auslösung bewirkenden
Zahn folgt eine Zahnreihe, welche dann die für den Zündzeitpullkt massgeblichen
werte liefert.
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Nachteilig an diesem System ist die Mehrzahl von Zälmen in einem bestimmten
Bereich der mit der Antriebswelle gekuppelten Scheibe. Wird nämlich eine grosse
Gonanigkeit vorausgesetzt, daiin ist die technische Herstellung solcher Scheiben
besonders bei Mehrzylindermaschinen recht aufwendig und damit kostspielig.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines konstruktiv einfach
gestalteten Impulsgebers, der ein örtlich und damit zeitlich sehr exaktes Signal
abgeben soll. Darüberhinaus soll diese Einrichtung zur Lageerkennung auch im Fall
mehrzylindriger Maschinen einfach sein.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass je zwei Markierungselemente
einen definierten Bereich auf dem beweglichen Körper begrenzen, jedes Markierungselement
eines Paares im ortsfesten Geberteil für die weitere Impulsverarbeitung einen Impuls
unterschiedlicher Form gibt, und die Impulsformerstufe wenigstens eine Schwellwertstufe
enthält.
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Als besonders einfach und kostengünstig erweist es sich, wenn die
Narkierungselemente aus permaneutmagnetischem Material bestehen und å edes Narkierungselement
eines Paares auf der Seite des ortsfesten Geberteils eine unterschiedliche Polarität
der Magnetisierung hat.
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Bei Verwendung mehrzylindriger Maschinen, z.B. vier oder sechs, benötigt
das Zündsystem eine zusätzliche Information zur Festlegung der Zündfolge. Dies geschieht
in vorteilhafter Weise dadurch, dass bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen mehrere
Paare von Markierungselementen vorgesehen sind, wobei sich zwischen einem Paar ein
weiteres Markierungselement befindet.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den
übrigen Unteransprüchen aus den in der Zeichnung dargestellten Beispielen. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Scheibe mit einem Paar von Markierungselementen, Fig. 2 die Lage
von Scheibe und ortsfesten Geberteil, Fig. 3 das ortsfeste Geberteil, Fig. 4 ein
Gebersignal von der Scheibe von Fig. 1, Fig. 5 eine erste einfache Impulsformerschaltung,
Fig. 6 vier Diagramme zur Erläuterung der Impuls formerstufe von Fig. 5,
Fig.
7 ein Schaltungsbeispiel für die Impulsformerstufe von Fig 5, Fig. 8 eine zweite
Impulsformerstufe mit einem eine Iiysterese bewirkenden Schaltungsteil, Fig. 9 eine
Schaltungsanordnviig zur Impulsformerstufe von Fig. 8, Fig.10 eine zweite Scheibe
mit zwei Paaren von Markiermngselementen sowie einem dritten Markierungselement,
Fig 11 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der von der Scheibe-nach Fig. 10
erzeugten Impulse, Yig.a2 ein zur Schaltungsanordnung von Fig. 11 gehörendes Impuls
diagramm und Fig.13 eine weitere Schaltungsanordnung zur Auswertung der Impulse,
die durch die Scheibe nach Fig. 10 erzeugt werden.
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Das zusätzliche Markierungseiement zwischen einem Paar von Harkierungselementen
dient vorzugsweise der Kennzeichnung des oberen Totpunktes eines Kolbens. Bezüglich
des hier ausgelösten Impulses kann dann die Zündfolge festgelegt werden.
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In Fig. 1 ist mit 20 eine Scheibe bezeichnet, die zwei Markierungselemente
21 und 22 achsenparallel mit gleichem Abstand zur Achse der Scheibe 20 trägt. Die
Markierungselemente
bestehen aus dauermagnetischem Material und
weisen auf der Seite eines ortsfesten Geberteiles 23 eine unterschiedliche Magnetisierung
auf. So liegt z.B. beim Markierungselement 21 der magnetische Nordpol aussen und
beim Markierungselement 22 der magnetische Südpol. Die hier in Fig. 1 gezeichnete
achsenparallele Anordnung der Markierungselemente schliesst nicht z.B. die Verwendung
von entsprechenden Zähnen auf dem Scheibenumfang aus.
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Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der Binrichtung von Fig. 1, wobei
die einzelnen Teile die gleichen Bezugs zeichen tragen wie in Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt das ortsfeste Geberteil 23, in dem eine Spule 25 einen
Ferritkern 26 umfaßt. Zwei mit der Spule verbundene Kabel 24 und 25 dienen schliesslich
der Signalauskopplung aus dem ortsfesten Geberteil 23.
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Die rotierende Scheibe 20 erzeugt mit ihren beiden Markierungselementen
21 und 22 im ortsfesten Geberteil 23 eine Spannung mit der Impulsform von Fig. 4.
Kennzeichnend ist hier die anterschiedliche Reihenfolge von positiver und negativer
Halbwelle des induzierten Signales. Als Mass für den Winkelabstand der beiden MarkXierungselemente
21, 22 ergibt sich der zeitliche Abstand der beiden Nulldurchgänge der beiden in
Fig. 4 dargestellten Signale. Je nach Stärke der Induktion
der beiden
aus Dauermagneten bestehenden Markierungselementen 21 und 22 sowie der Bauform des
ortsfesten Geberteils 23 ergeben sich unterschiedlich steile Flanken bei den Impulsen
von Fig. 4. Aus Gründen eindeutiger Signale strebt man steile Flanken an.
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Fig. 5 zeigt eine einfache Auswerteschaltung für die im ortsfesten
Geberteil 23 entstandenen Signale. Ziel ist hier ein Gleichspannungssignal von der
Zeitdauer, die analog der Zeit zwischen dem Vorbeistreichen der beiden Narkierungselemente
21 und 22 am ortsfesten Geberteil 23 ist. Verwirklicht wird dies durch die hier
dargestellte Impulsformerschaltung, wobei der Spule 25 des ortsfesten Geberteils
23 über einen Kondensator 28 ein Verstärker 29 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang
30 einmal mit einer ersten Schwellwertstufe 31 verbunden ist und einmal mit einer
zweiten Schwellwertstufe 32. Beide Schwellwertstufen 31 und 32 sprechen auf unterschiedliche
Flanken an, so z.B. die erste Schwellwertstufe 31 auf eine positive und die zweite
Schwellwertstufe 32 auf eine negative Flanke.
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Der Ausgang 33 der ersten Xchwellwertstufe 31 ist mit dem Setzeingang
35 eines RS-Flip-Flops 36 gekoppelt, dessen Rücksetzeingang 37 am Ausgang 38 der
zweiten Schwellwertstufe 32 angeschlossen ist, und dessen nicht,invertierender Ausgang
39 den Ausgang 40 der Impulsformerschaltung bildet. Die Verbindungsleitungen zwischen
dem Ausgang 33
der ersten Schwellwertstule 31 und dem Setzeingang
35, bzw.
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zwischen dem Ausgang 38 der zweiten Schwellwertstufe 32 und dem Rücksetzeingang
37 seien mit 41 und 42 bezeichnet.
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Auf diese beiden Leitungen 41 und 42 wird bei der Beschreibung von
Fig. 11 noch einmal Bezug genommen werden.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise von Fig 5 dient die Fig. 6, wobei
Fig. 6.1 der Fig. 4 entspricht und das dargestellte Signal am Ausgang 30 des Verstärkers
29 auftritt. Die positiven Halb-Wellen des Signals von Fig. 6.1 erzeugen in der
ersten Schwellwert stufe'31 ein Ausgangssignal nach 6.2. Entsprechend entsteht am
Ausgang 38 der zweiten Schwellwertstufe 32 aus den negativen Halbwellen des Signals
von 6.1 ein Impulspaar nach 6.3. Durch die dargestellte Verbindung von Setz-und
Rücksetzeingang des RS-Flip-Flops 36 mit den Ausgängen 33 und 38 der beiden Schwellw'ertstufen
31 und 32 ergibt sich am nicht-invertierenden~Ausgang 39 ein Ausgangssignal, wie
es in 6.4 dargestellt ist. Bei genügend kleinen Schaltschwellen der beiden Schwellwertschalter
31 und 32 entspricht die Länge des Signals von 6.4 genau dem Abstand der beiden
Null-Durchgänge im Signal von 6.1.
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Ein ausführlicheres Beispiel der Impulsformerstufe von Fig. 5 zeigt
Fig. 7. Dem Kondensator 28 ist hier ein Wechselspannungsverstärker 45 (oder ein
auf konstante Ausgangsspannung regelnder Verstärker 45 zur erhöhten Störunterdrückung)
nachgeschaltet, dessen Ausgang 46 einmal mit dem Plus-Eingang eines Verstärkers
48
in Verbindung steht, und einmal mit dem Minuseingang eines weiteren
Verstarkers 49. Beide Ausgänge der Verstärker 48 und 49 sind mit jenen von Fig.
5 identisch und stehen ebenso mit dem RS-Flip-Flop 36 in Verbindung.
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Fig. 8 zeigt eine Impulsformerschaltung mit einer Hysterese-Charakteristik.
An den Ausgang 30 der Verstärkerstufe 29 ist hier eine Anordnung angeschlossen,
die auf einen ersten Null-Durchgang reagiert, und dann erst wieder auf ein umgekehrtes
Durchlaufen eines weiteren Null-Durchg. Das Ausgangssignal dieser Schaltungsanordnung
von Fig. 8 entspricht dann dem von Fig. 6.4 und ist damit dem Ausgangssignal der
Schaltungsanordnung von Fig. 5 identisch.
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Fig. 9 stellt eine Schaltungsanordnung mit HystereseCharakteristik
50 von Fig. 8 ausführlich dar. Ihre wesentlichsten Merkmale sind ein invertierender
Verstärker 51 mit einer Gegenkopplung sowie ein weiterer invertierender Verstärker
52 mit einer Mitkopplung (sogenannter Schmitt-Trigger).
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Der Kondensator 28 ist über einen Widerstand 53 mit dem invertierenden
Eingang der Verstärkerstufe 51 gekoppelt, an dem auch ein Gegenkopplungswiderstand
54 angeschlossen ist. Ein fester Spannungswert liegt am nicht invertierenden Eingang
dieser Verstärkerstufe 51 an, da dieser Eingang
über einen Widerstand
55 mit einer Plusleitung 56 verbunden ist. Vom Ausgang 57 der Vorstärkerstufe 51
führt ein Widerstand 59 zum invertierenden Eingang der zweiten Verstärkerstufe 52.
Dessen nichtzinvertierender Eingang ist einmal über einen Widerstand 60 mit der
Plusleitung 56 gekoppelt und einmal über den Widerstand 61 mit dem Ausgang 62 der
Verstärkerstufe 52. Dieser Ausgang 62 entspricht dem Ausgang 40 der Impulsformerstufe.
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Bei einem positiven Spannungssignal am invertierenden Eingang der
Verstärkerstufe 51 ergibt sich eine Absenkung des Ausgangspotentials dieser Verstärkerstufe.
Die nachfolgende invertierende Verstärkerstufe 52 bewirkt an ihrem Ausgang 62 und
damit am Ausgang 40 einen Spannungsanstieg, der infolge der Mitkopplung über den
Widerstand 61 auf den nicht invertierenden Eingang noch verstärkt wird. Infolge
der Mitkopplung hält sich dieser positive Spannungswert am Ausgang 62 und sinkt
erst dann wieder ab, wenn am invertierenden Eingang ein positives Signal anliegt.
Ein positives Signal an diesem invertierenden Eingang setzt jedoch ein negatives
Potential am invertierenden Eingang der ersten Verstärkerstufe 51 voraus. Die Einstellung
der Hysterese erfolgt mit den Widerständen 60 und 61. Die Dimensionierung dieser
Hysterese richtet sich nach der Ninimaldrehzahl, bei der die Lageerkennung beginnen
soll. (Die vom Geber abgegebene Spannung ist proportional zur Drehzahl. Es gehen
die Parameter Luftspalt, - Scheibendurchmesser und Dauermagneteigenschaften bel
definiertem Geberteil.)
Werden pro Umdrehung der mit der Kurbelwelle
gekuppelten Scheibe mehrere Impulse entsprechend Fig. 6.4 benötigt, so sind mehrere
Paare von i"larkierungselemente vorzusehen.
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Um å edoch auch ein Unterscheidungsmerkmal der einzelnen Paare von
Markierungselementen zu haben, bedient man sich eines zusätzlichen Markierungselementes.
Fig. 10 zeigt eine mit zwei Paaren 66 und 67 sowie 68 und 69 bestückte Scheibe 65,
wobei zwischen den mit 68 und 69 gekennzeichmleten Markierungselementen sich ein
weiteres, bezeichnet mit 70, befindet. Bei dieser Anordnung von drei Markierungselementen
weisen dann zwei die gleiche Magnetisierung auf, die in einer anschliessenden Erkennungsstufe
ein entsprechendes Ausgangssignal auslösen. Als Geber kann hier der gleiche Geber
23 wie in den Fig. 1 - 7 verwendet werden.
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Fig. 11 zeigt eine Impulsformerstufe für den Einsatz bei mehrzylindrigen
Maschinen, wobei die mit der Kurbelwelle gekuppelte Scheibe 65 nach Fig. 10 ein
weiteres Markierungselement besitzt. Dieses weitere Markierungselement 70 löst in
der ebenfalls in Fig. 11 dargestellten Erkennungsstufe
einen weiteren
Impuls aus. Im einzelnen ist die Schaltungsanordnung von Fig.11 wie folgt aufgebaut.
Die Spule 25 des Gebers 23 ist über den Kondensator 28 mit dem Eingang der Verstärkerstufe
29 gekoppelt, deren Ausgang 30 mit den Eingängen der beiden Schwellwertstufon 31
und 32 verbunden ist. Von der Schwellwertstufe 31 führt eine Leitung 41 zu einem
ersten Differenzierer 70. Inhalt dieses Differenzierers 70 ist ein WTD-Gatter 71
sowie ein Inverter 72, wobei der Eingang 73 des Differenzierers 70 einmal direkt
mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 71 verbunden ist und einmal über den Inverter
72 mit dem zweiten Eingang. Der Ausgang des UND-Gatters 71 stellt zugleich den Ausgang
74 des Differenzierers 70 dar. Der Differenzierer 70 hat nun die Eigenschaft, nur
bei einer Anstiegsflanke einen Ausgangsimpuls abzugeben, der sich in seiner Länge
nach der Laufzeit im'Inverter 72 richtet.
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Aus diesem Grui lässt sich dieser Differenzierer 70 auch als eine
Erkennungsschaltung für ansteigende Flankenverwenden. Dem Ausgang 74 folgt einmal
ein aus NOR-Gattern bestehendes Flip-Flop 75 und einmal ein UND-Gatter 76.
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Das Flip-Flop 75 besitzt zwei Eingänge 77 und 78, zwei Ausgänge 79
und 80, sowie zwei NOR-Gatter 81 und82. Wesentlichstes Kennzeichen dieses Flip-Flops
75 ist die jeweilige Kopplung zwischen den beiden NOR-Gattern 81 und 82 in der Weise,
dass der Ausgang des NOR-Gatters 81 mit einem ersten Eingang des NOR-Gatters 82
verbunden ist, und in
entsprechender Weise der Ausgang des NOR-Gatters
82 mit einem Eingang des NOR--Gatters 81. Der jeweils übrige Eingang der beiden
NOR-Gatter 81 und 82 ist mit den Eingängen 77 und 78 gekoppelt. Ausserdem entsprechen
die Ausgänge der NOR-Gatter 81 und 82 den Ausgängen 79 und 80 des Flip-Flops 75.
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Mit dem Ausgang 80 des Flip-Flops 75 gekoppelt ist ein zweiter Eingang
des UND-Gatters 769 dessen Ausgang 85 mit einem Eingang 86 eines weiteren Flip-Flops
87 gekoppelt ist.
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Die am Ausgang der zweiten Schwellwertstufe 32 angeschlossene Leitung
42 füLit über einen zweiten Differenzierer 92, er besitzt den gleichen Aufbau wie
der Differenzierer 7Q, zu einem Knotenpunkt 93. Von hier führt eine Leitung 94 zu
einem zweiten Eingang 88 des Flip-Flops 87 mit den Ausgängen 89 und 90 Während der
Ausgang 89 mit einem Eingang 96 eines UND-Gatters 9? mit zwei weiteren Eingängen
98 und 99 sowie einem Ausgang 100 verbunden ist, steht der Ausgang 90 mit einem
Eingang 101 eines UND-Gatters 102 in Verbindung, dessen zweiter Eingang 103 mit
dem Knotenpunkt 93 verbunden ist und dessen Ausgang 104 am Eingang 78 des Flip-Flops
75 angeschlossen ist. Schliesslich steht der Knotenpunkt 93 mit dem Eingang 98 des
UND-Gatters 97 in Verbindung und der Ausgang 80 des
Flip-Flops
75 neben dem Eingang 99 dieses UND--Gatters 97 mit einem Ausgang 110 der Schaltungsanordnung.
Ein weiteres Flip-Flop 105 mit zwei Eingängen 106 und 107 sowie zwei Ausgängen 108
und 109 ist vorgesehen, wobei der Eingang 106 mit dem Ausgang 90 des Flip-Flops
87 in Verbindung steht, der Eingang 107 mit dem Ausgang 100 des UND-Gatters 97,
und der Ausgang 108 direkt den Ausgang 111 bildet.
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Sämtliche drei Flip-Flops 75, 87 und 105 weisen den gleichen Aufbau
auf, jedoch werden in der vorliegenden Schaltungsanordnung die Ausgänge 79 des Flip-Flops
75 und 109 des Flip-Flops 105 nicht benötigt.
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Der Erklärung der Wirkungsweise von Fig. 11 dienen die Impulsdiagramme
von Fig. 12. 12.1 zeigt dabei das Ausgangssignal der Verstärkerstufe 29, 12.2 das
Ausgangssignal des Differenzierers 70 und entsprechend 12.3 das Ausgangssignal des
Differenzierers 92. Diese Impulse von 12.2 und 12.3 treten zu Beginn der jeweiligen
Flanke auf, ausgehend von der Null-Linie, und richten sich in ihrer Länge nach der
Laufzeit der in den Differenzierern 70 und 92 verwendeten Invertern 72. Das Diagramm
12.4 gibt das Ausgangssignal am Ausgang 80 des Flip-Flpps 75 wieder und diese Signale
entsprechen in ihrer Länge den jeweiligen Abs-tänden
von zwei,
zu einem Paur gehörenden Narkierungselementen.
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Dieses Ausgangssignal läßst sich am Ausgang 110 abnehmen.
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Zur Erkennung der jeweiligen Markierungspaare dient das dritte Markierungselement,
und dessen Erkennungssignal erscheint am Ausgang 111 in Form des Signales von 12.6.
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Ein weiteres Beispiel für die Impulsformung sowie eine Impulserkennung
zeigt Fig. 13. In dieser Fig. ist der Spule 25 und dem Kondensator 28 eine Integrierstufe
121 nachgeschaltet, die einen Ausgang 122 sowie einer) Rückstelleingang 123 besitzt.
Zwei Schwellwertstufen 31 und 32 sind hier mit dem Ausgang 122 verbundes Ein erstes
Flip-Flop 125 mit zwei Ausgängen 126 und 127 ist mit seinen Eingängen 128 und 129
an den Ausgängen der beiden Schwellwertstufen 31 und 32 angeschlossen. Während den
Ausgang 127 mit dem Ausgang 130 der Schaltungsanordnung gekoppelt ist, führt der
Ausgang 126 zu einem Eingang 135 eines UND-Gatters 136, dessen zweiter Eingang 137
mit dem Ausgang der Schwellwertstufe 32 in Verbindung steht. Der Ausgang 138 dieses
UND-Gatters 136 ist direkt mit dem Rückstelleingang 123 des Integrators 121 gekoppelt.
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Vom An^.ganDr der Schwellwertstufe 31 führt eine Leitung 140 zu einem
Eingang 141 eines UND-Gatters 142 mit einem weiteren Eingang 143 und einem Ausgang
144. Diesem Ausgang 144
ist ein weiteres Flip-Flop 146 nachgeschaltet,
dessen erster Eingang 147 mit dem Ausgang 14Y des UND-Gatters 142 verbunden ist,
dessen zweiter Eingang 148 mit dem Ausgang der Schwellwertstufe 32 in Verbindung
s-teht, und dessen-Ausgang 14-9 zum Ausgang 150 führt. Kier liegen dann die jeweiligen
Brkennungssignale durch das zusätzliche Markierungselement 70 auf der Scheibe 67
an.
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Grundgedanke dieser Schaltungsanordnung von Fig. 13 ist die Integration
des von der Geberspule 25 ankommenden Signales. Da diese Signale infolge der kapazitiven.t\bertragung
oberhalb und unterhalb der Null-Linie die gleiche Fläche aufweisen, verhält sich
das Ausgangssignal des Integrators in seiner Polarität entsprechend dem zuerst anliegenden
Signal eines durch ein Markierungselement ausgelösten Impulses. Die nachfolgenden
Schwellwertstufen 31 und 32 geben entsprechend ihrer Ansprechschwelle einen Impuls
auf das nachfolgende Flip-Flop 125 ab und bewirken hier entsprechend ein Setzen
oder Rücksetzen. Da zu einem Paar von Markierungselementen åe e ein Ausgangssignal
der Schwellwertstufen 31 und 32 gehört, erscheint am Ausgang 130 innerhalb eines
Paares von Markierungselementen ein Signal. Erscheinen am Geber 23 zwei Markise
rungselemente 68 und 70 gleicher Polarität in der Magnetisierung, dann gibt z.B.
die .Schwellwertstufe 31 zwei
Signale ab, wobei dann über das Flip-Flop
146 am Ausgang 150 ein entsprechendes Signal anliegt. Rückgestellt wird der Integrator
121 jeweils bei gleichzeitigem Auftreten eines Signals am Ausgang 126 des Flip-Flops
125 und eines Signals am Ausgang der Schwellwertstufe 32. Man vermeidet dadurch
alle Driftprobleme des Integrators bei von Null abweichenden Eingangsspannungen.
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naill auptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist das einfach und damit
kostengünstig aufgebaute Gebersystem, welches rein auf der Unterscheidung der einzelnen
Hagnetisierungen von Dauermagneten basiert. Die dem Gebersystem nachgeschalteten
Impulsformerstufen dienen mit der Erkennung eines einzelnen Narkierungselementes
der Auswertung der jeweils durch diese Markierungselemente ausgelösten Impulse.
Je nach Grösse der auf die Scheibe aufgebrachten Dauermagnete und deren Lage lassen
sich verschiedene, z.B. zum Kurbelwellenwinkel proportionale Zeitpunkte festlegen.
Gedacht ist hier einmal an dieFestlegung von Intervallen für eine Zündauslösung
sowie an die Abgabe eines Signals, wenn einer der Kolben der Brennkraftmaschine
zum Beispiel seinen oberen totpunkt durchläuft.
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Neben den Dauermagneten als Markierungselementen lässt sich auch ein
optisches System verwenden, bei dem an die
Stelle der unterschiedlichen
Polarität der Magnetisierung eine unterschiedliche Polarisierung des Lichtes tritt.