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Einrichtung zum elektrischen Messen der von einem Antriebsmittel
aufgebrachten Leistung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum elektrischen
Messen der von einem Antriebsmittel aufgebrachten Leistung zum Bewegen eines entgegen
einer einstellbaren Bremskraft auf einer geschlossenen Bahn in Umlauf versetzten
Gegenstandes.
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Ist der auf einer geschlossenen Bahn in Umlauf versetzte Gegenstand
beispielsweise ein Rad und wird dieses Red mit einer einstellbaren Kraft abgebremst,
so kann man die zum Bewegen des Rades aufzubringende mechanische Leistung an Hand
folgender Beziehung ermitteln: N = K 2it r . n, worin N die Leistung, K die Bremskraft
am Umfang des Rades, r der Radius des Rades und n die Zahl die Umdrehungen des Rades
pro Zeiteinheit bedeuten.
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Da in der vorgenannten Beziehung die Faktoren 2, w und r konstante
Werte sind, ergibt sich, daß die Leistung N proportional K ~ n ist.
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Zum Abbremsen des Rades kann ein um das Rad und eine achsparallel
dazu angeordnete Rolle geschlungenes endloses Bremsband dienen, das durch Verändern
des Abstandes zwischen Rad und Rolle mehr oder weniger stark gespannt wird. Die
Bremskraft kann dann mittels einer Federwaage gemessen werden, deren freies Ende
mit dem Bremsband fest verbunden ist. Zur Messung der Umlaufgeschwindigkeit beziehungsweise
der Drehgeschwindigkeit des Rades dient beispielsweise
beispielsweise
ein mit dem Rad gekuppeltes Drehzahlmeßgerät, das die Drehzahl in Umdrehungen pro
Minute anzeigt. Aus dem gemessenen Wert für die Drehzahl und für die Bremskraft
läßt sich dann an Hand der obigen Beziehung die Leistung N berechnen oder an Hand
einer Tabelle ermitteln.
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Eine auf diese Weise vorgenommene Leistungsmessung ist aber nicht
nur verhältnismäßig umständlich, sondern auch zeitraubend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, mit der sich das Messen und Ablesen der Leistung erheblich
vereinfachen läßt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs
genannten Art dadurch gelöst, daß auf dem Gegenstand ein elektrisches Anzeigeelement
angeordnet ist, das seine Helligkeit durch Ein- und Ausschalten eines Stromes sprunghaft
ändert, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die jedesmal, wenn das Anzeigeelement
eine bestimmte Stelle der Umlaufbahn passiert, den Strom für das Anzeigeelement
für eine von der Umlaufgeschwindigkeit unabhängige, sich mit der Bremskraft wenigstens
annähernd proportional ändernde Dauer einschalten.
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Eine Einrichtung mit den vorgenannten Merkmalen ergibt unter Anwendung
verhältnismäßig einfacher und unkomplizierter Mittel eine weitgehend trägheitslose
Leistungsmessung, wobei die gemessene Leistung auf einer einzigen Anzeigevorrichtung
unmittelbar abgelesen werden kann.
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Weitere
Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden an Hand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung
bedeuten: Fig. 1 eine Ansicht einer Einrichtung zur Leistungsmessung an einem in
Drehung versetzten Rad, Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch eine Einrichtung nach
Fig. 1 mit- in Abhängigkeit von der Bremskraft einstellbarem Widerstand, Fig. 3
ein Blockschaltbild für eine erfindungsuemäße Einrichtung zur Leistungsmessung,
Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch eine Einrichtung nach Fig. 1 mit in Abhängigkeit
von der Bremskraft einstellbarem Kondensator, Fig. 5 eine Ansicht eines Rades nach
Fig. 4, in der dort eingezeichneten Pfeilrichtung gesehen, Fig. 6 einen Ausschnitt
aus einer Einrichtung nach Fig. 4, jedoch mit einer Lichtquelle und einem fotoelektrischen
Bauelement als einstellbarem Widerstand, Fig. 7 eine prinzipielle Darstellung des
Zusammenwirkens der Lichtquelle, des fotoelektrischen Bauelements und einer Blende,
Fig. 8 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung in Form eines
Fahrrad-Ergometers, Fig. 9
Fig. 9 einen Ausschnitt eines Rades mit
frontseitiger Drehgeschwindigkeits- und Leistungsanzeige und Fig. 10 ein Blockschaltbild
für eine Einrichtung zum gleichzeitigen Messen und Anzeigen der Umlaufgeschwindigkeit
und Leistung.
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Eine Einrichtung nach den Fig. 1 bis 3 dient zum elektrischen Messen
und Anzeigen der Leistung, die zum Bewegen eines auf einer geschlossenen Bahn umlaufenden
Gegenstandes, zum Beispiel eines Rades 1, entgegen einer Bremskraft K benötigt wird.
Das Rad 1 ist in einem feststehenden Lagerbock 2 drehbeweglich gelagert. Das Rad
1 wird ebenso wie eine dazu achsparallel angeordnete Rolle 3 von einem Bremsband
4 umschlungen. Die Rolle 3 ist derart verschiebbar angeordnet, daß mit ihr das feststehende
Bremsband 4 mit einer bestimmten Kraft P gespannt werden kann und daß dadurch auf
das Rad 1 eine einstellbare Bremskraft ausgeübt wird.
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Ein im Randbereich des Rades 1 befestigtes fotoelektrisches Bauelement
5, das ist zum Beispiel eine Fotodiode, steht einmal je Umdrehung des Rades einer
raumfest angeordneten Lichtquelle 6 gegenüber, deren Lichtstrahlen infolge einer
eine Blendenöffnung 7 enthaltenden Blende 8 annähernd punktförmig auf die lichtempfindliche
Seite des fotoelektrischen Bauelementes treffen.
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Ebenfalls im Randbereich des Rades 1 befindet sich ein elektrisches
Anzeigeelement 9, das ist vorzugsweise eine Leuchtdiode.
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Schaltungsmäßig befindet sich zwischen dem fotoelektrischen Bauelement
5 (Fig. 3) und dem elektrischen Anzeigeelement 9 eine monostabile
monostabile
Kippschaltung 10. Eine Gleichspannungsquelle 11 liefert den Strom für das fotoelektrische
Bauelement 5 und die monostabile Kippschaltung 10. Zu der monostabilen Kippschaltung
gehört ein Zeitkreis, von dessen Dimensionierung die Dauer des quasistabilen Zustandes
der monostabilen Kippschaltung abhängt. Zu dem Zeitkreis gehört in dem vorliegenden
Beispiel ein, zum Beispiel einstellbarer Widerstand 12 und ein damit in Reihe geschalteter
Kondensator 13.
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Die Spannungsquelle 11 und die monostabile Kippschaltung 10 können
ebenso wie das fotoelektrische Bauelement 5 und das elektrische Anzeigeelement 9
auf dem Rad 1 befestigt sein.
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Fest mit dem Lagerbock 2 (Fig.- 1) ist ein im wesentlichen kreisringförmiger
Skalenträger 14 derart verbunden, daß er in einer Ebene liegt, die parallel zu und
in einem kleinen Abstand von derjenigen ebenen Fläche des Rades 1 verläuft, die
das elektrische Anzeigeelement 9 trägt. Auf dem Skalenträger 14 befindet sich eine,
vorzugsweise lineare, Skala 15, die in Watt oder Erg geeicht sein kann. Der Durchmesser
des Skalenträgers ist so bemessen, daß das elektrische Anzeigeelement 9 bei einer
Rotation des Rades 1 in einem geringen Abstand an der äußeren Stirnkante des Skalenträgers
vorbeiläuft (Fig. 2).
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Der Antrieb des Rades 1 erfolgt über ein Antriebsrad 16, das einen
hohlzylindrischen Ansatz 17 hat, der mit einem Zahnkranz 18 versehen ist. Das Antriebsrad
16 ist ebenso wie das Rad 1 mittels Kugellaqer
Kugellager auf einer
fest mit dem Lagerbock 2 verbundenen Welle 19 di hbar gelagert. Das Rad 1 en#iiält
auf einer Seite eine koaxiale Ausnehmung 20, in die das Antriebsrad 16 unter Belassung
eines ringförmigen Spalt-*s paßt. Ant-ricbsrad 16 und Rad 1 sind über eine Spiralfeder
21 miteinander gekllppelt. Wird das Antriebsrad 16 über den Zahnkranz 18 angetrieben,
so tritt zwischen der Drehbewegung des Antriebsrades 16 und des Rades 1 infolge
der am Umfang des Rades 1 wirksanen Bremskraft durch das Bremsband 4 eine gewisse
Verschiebung f auf. Diese von der jeweiligen Bremskraft abhängige Verschiebung kann
mittels einer bogenförmigen Zahnstange 22, die an der dem Rdd 1 zugewandten Seite
des Antriebsrades 16 befestigt ist, auf eine an ihrem Ende als Ritzel ausgebildete
Welle des Potentiometers 12 übertragen werden. Das Potentiometer 12 befindet sich
am Boden der Ausnehmung 20 des Rades 1. Seine Anschlußleitungen 23 sind durch das
Rad 1 hindurch an die monostabile Kippschaltung 10 geführt.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Einrichtung
erläutert. Wird das Antriebsrad 16 angetrieben, so fällt je Umdrehung des Rades
1 ein Lichtstrahl auf das fotoelektrische Bauelement 5. In dem dieses Bauelement
enthaltenden Stromkreis wird dadurch ein, zum Beispiel negativer, Impuls 24 gebildet,
mit dessen vorderer Flanke die monostabile Kippschaltung aus ihrem stabilen Ruhezustand
in den quasistabilen Zustand übergeführt wird. Die Kippschaltung kippt unabhängig
von der Dauer des Impulses 24 nach einer durch die RC-Schaltung aus dem einstellbaren
Widerstand 12 und dem Kondensator 13 gegebenen Dauer in
in ihre
stabile Lage zurück. Für die Dauer des quasistabilen Zustandes gibt die Kippschal#ung
an ihrem Ausgang 25 einen Impuls 26 ab, der das elektrische Anzeigeelement 9 zum
Aufleuchten bringt.
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Durch die Lage der Lichtquelle 6 (Fig. 1) sowie den Abstand zwischen
dem fotoelektrischen Bauelement 5 und dem elektrischen Anzeigeelement 9 auf dem
Rad 1 bedingt, befindet sich das elektrische Anzeigeelement zu Beginn des Aufleuchtens
immer in derselb##n Winkellage, zum Beispiel auf einem vertikal verlaufenden Radius
des Rades 1. Da sich das Rad während der Dauer des Impulses 26 in Abhägigkeit von
der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit um einen bestimmten en Winkel weiterbewegt,
erscheint dem Betrachter das elektrische Anzeigeelement 9 als Leuchtband 27, das
in Fig. 1 durch gestrichelte Linien symbolisiert ist. Die Länge des Leuchtbandes
27 hängt aber nicht nur von der jeweiligen Umlaufc#'eschwindigkeit des Rades ab,
sondern gleichzeitig auch von der am Umfang des Rades 1 auftretenden Bremskraft.
Wie weiter oben erwähnt, ist nämlich die Verschiebung + zwischen dem Antriebsrad
16 und dem Rad 1 ein Maß für die Bremskraft K. Demzufolge hat auch der durch die
Verschiebung f eingestellte Widerstand 12 einen von der Bremskraft K abhängigen
Widerstandswert, woraus sich in Verbindung mit dem festen Kapazitätswert des Kondensators
1 3 eine bremskraftabhän<jige Dauer des Impulses 26 ergibt.
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Die
Die Einrichtung kann zu einem Fahrrad-Ergometer
gehören, bei dem die Bewegung der Tretkurbel über eine Kette auf den Zahnkranz 18
übertragen wird.
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In einer weiteren Au.#'ührungsform (Fig. 4 und 5) wird an Stelle des
einstellbaren Widerstandes 12 in Fig. 3 ein Widerstand mit festem Widerstandswert
verwendet und dafür der Kondensator 13 als Drehkondensator ausgebildet. Der Drehkondensator
besteht aus z. B.
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zweimal vier sektorf~rmiyen Kondensatorplatten 28, 29, die sich paarweise
gegenüberstehen. Die Kondensatorplatten 28 sind am Boden der koaxialen Ausnehntung
20 des Rades t befestigt und die Kondensatorplatten 29 auf der dem Rad 1 zugewand-i:en
Oberfläche des Antriel)srades 16. Die Plattenpaare sind elektrisch parallel geschaltet
und über Anschlußleitungen 30 mit der monostabilen Kippschaltung 10 verbunden; vgl.
Fig. 4. Die zwischen dem Antriebsrad 16 und dem Rad 1 auftretende VerszhieTung,
die in Fig. 5 durch den Winkel + gekennzeichnet ist, ergibt einen von der jeweiligen
Bremskraft am Umfang des Rades 1 abhängigen Kapazitätswert für den Kondensator 13.
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Eine andere, vorteilhafte Möglichkeit, die Verschiebung + in eine
elektrische Größe umzuwandeln, geht aus den Fig. 6 und 7 hervor.
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In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich am Boden der Ausnehmung
20 ein lichtempfindlicher Widerstand 31, dem eine Lichtquelle 32, die über einen
Bügel 33 mit dem Boden der Ausnehmung 20 fest verbunden ist, in einem festen Abstand
gegenübersteht. In den Zwischenraum zwischen der Lichtquelle 32, das ist zum Beispiel
spiel
eine Leuchtdiode, und dem lichtempfindlichen Widerstand 31 ragt eine Blende 34 hinein,
die eine, zum Beispiel dreieckförmige, Blendenöffnung 35 hat und mit dem Antriebsrad
16 fest verbunden ist. Die Blende wird somit in Abhängigkeit von der Verschiebung
+ zwischen Rad 1 und Antriebsrad 16 in der Pfeilrichtung nach Fig. 7 bewegt, so
daß ein von der Verschiebung abhängiger Anteil des von der Lichtquelle ausgehenden
Lichtes auf den lichtempfindlichen Widerstanfl fällt, der dadurch seinen Widerstandswert
ändert. Die Widerstandsänderung führt dann ebenso wie bei dem einstellbare Widerstand
12 nach Fig. 2 zu einer Änderung der Impulsdauer des weiteren Impulses 26 (Fig.
3).
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Die Fig. 8 zeigt eine schemati (he Darstellung eines Fahrrad-Ergometers
mit einer Einrichtung tntsprechend den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.
In diesem Beispiel ist das die Tretkurbeln 36 tragende Rad 37 über einen in Fig.
8 durch strichpunktierte Linien anqedeuteten gekreuzten Riemen 38 mit einem Rad
39 gekuppelt, auf dessen vertikaler Welle 40 das Rad 1 sitzt. Das Rad 1 und die
Rolle 3 wee-den wie in dem Beispiel nach Fig. 1 von dem Bremsband 4 umschlun(-n.
Durch die vertikale Anordnung der Welle 4Q hat der auf dem Fahrrad sitzende Patient
das Leuchtband 27 in Blickrichtung. An die Stelle des gekreuzten Riemens 38 kann
gegebenenfalls auch ein an sich bekanntes Kegelradgetriebe treten.
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Für gewisse Fälle, insbesondere für ein Ergometer, erscheint es zweckmäßig,
neben der Messung und Anzeige der Leistung gleichzeitig
zeitig
auch die Umlaufgeschwindigkeit des Rades zu messen und anzuzeigen. Nach Fig. 9 trägt
dann das Rad 1 außer dem elektrischen Anzeigeelement 9 und dem ikalenträger 14 ein
weiteres elektrisches Anzeigeelement 41 und einen weiteren mit dem ersten Skalenträger
verbundenen Skalenträeer 42. Während das durch das elektrische Anzeigeelement 9
erzeugte Leuchtband 27 beispielsweise die Leistung anzeigt, dient das weitere elektrische
Anzeigeelement 41 zur Anzeige der iJmlaufgeschwindigkeit des Rades 1.
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Ein Schaltbild iür eine Einrichtung zum gleichzeitigen Messen der
Leistung und der Umlaufgeschwindigkeit wird an lTand des Blockschaltbildes in Fig.
10 erläutert. Soll die Einrichtung bei einem Fahrrad-Ergometer Verwendung finden,
so dient zur Stromversorgung der Schaltung beispielsweise ein Fahrrad-Dynamo 43,
dessen Spannl1ng mittels einer Gleichrichter-Brückens chaltung 44 gleichgerichtet
wird. Parallel zu den Gleichstromanschlüssen der Brückenschaltung liegt ein Kondensator
45, der als Ladekondensator dient. über einen Schleifkontakt 46 wird die Gleichspannung
einer Vorrichtung 47 zur Spannungsstabilisierung zugeführt, die sich auf dem Rad
1 befindet. Die von der Vorrichtung 47 abgegebene stabiliserte Gleichspannung dient
zur Stromversorgung der monostabilen Kippschaltung 10, einer weiteren monostabilen
Kippschaltung 48 sowie der Lichtquelle 32, zum Beispiel einer Leuchtdiode.
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Wie nach dem Schaltbild in Fig. 3 wird auch in dem vorliegenden Beispiel
je Umdrehung des Rades 1 ein Impuls 24 erzeugt, der gegebenenfalls
gegebenenfalls
einen Impulsformer 49, das ist zum Beispiel ein Schmitt-Trigger, ansteuert. Der
Schmitt-Trigger gibt dann einen IJI¢PU1S mit steilen Flanken sowohl an den Eingang
der monostabilen Kippschaltung 10 als auch an den Eingang der weiteren monostabilen
Kippschaltung 48 ab. Beide Kippschaltungen werden somit gleichzeitig getriggert,
so daß auch beide elektrischen Anzeigeelemente 9, 41 gleichzeitig an einer bestimmten
Stelle der Umlaufbahn des Rades 1 aufleuchten. Während die weitere monostabile Kippschaltung
48 einen Impuls konstanter, von der Umlaufgeschwindigkeit des ^{^es unabhängiger
Dauer abgibt, liefert die monostabile Kippschaltung 10 einen Impuls, der von dem
bremskraftabhängigen Widerstandswert des lichtempfindlichen Widerstandes 31 abhängt;
vgl. auch Fig. 6 und 7.
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Der Schleifkontakt 46 zur Ubertragung der gleichgerichteten Dynamospannung
auf die Vorrichtung 47 kann entfallen, wenn der Dynamo fest auf dem Rad 1 angeordnet
ist und sein Ritzel an einem raumfesten Ring abrollt, dessen Durchmesser dem Durchmesser
der Umlaufbahn des Ritzels entspricht.
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Wenn nach dem Blockschaltbild in Fig. 10 die Bremskraftmessung nach
dem aus den Fig. 6 und 7 gezeigten fotoelektrischen Prinzip arbeitet, so ist dies
nur als Beispiel zu werten. Mit gleichem Vorteil kann die Bremskraft auch nach den
in den Fig. 2 und 4 gezeigten Prinzipien oder in ähnlicher Weise gemessen werden.
Die Messung nach den Fig. 6 und 7 hat jedoch den Vorteil des geringsten technischen
Aufwandes.
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An
An die Stelle der monostabilen Kippschaltung 10
in den Blockschaltbildern nach den Fig. 3 und 10 kann eine beliebige andere zeitbestimmende
Einrichtung, zum Beispiel eine digitale Einrichtung, treten, die je Impuls 24 einen
Impuls 26 mit einer der Br< skraft annähernd proportionalen Dauer liefert.
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Patentansprüche