DE2544820C2 - Korrelator zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit mit mehreren Meßfühlern - Google Patents

Description

Rik = um —- x_ikdi,

ι, * = 1,2

/, k= 1,3

i,k = 2,3

Trägt man sie in normierter Form auf, d. h. über der Zeit rjeweils bezogen auf die entsprechende Laufzeit T_u, Tm bzw. ξ), mit

_ Uk

T_ik - —,

so ergeben sich die in Fig. 2b dargestellten Kurven. Als Gesamtkennlinie für den Reglereingang wirkt nun die Summe dieser normierten Ableitungen, so daß sich die in Fig. 2c gezeigte gemeinsame Kennlinie:

R_gr, = R\2 + R\i + /?23

für den Regelkreis mit der Abgleichbedingung R_gel = 0 ergibt. Zwischen den Laufzeiten r_ik der Schieberegister SR,_k mit den Stufenzahlen n_ik und der Taktfrequenz/des linearen Spannungsfrequenzwandlers SFW besteht die Beziehung

/ *V

wobei U₁ die Ausgangsspannung des Integralreglers / und k den Übertragungsfaktor des Spannungs-Frequenzwandlers darstellt. Der Zusammenhang

ist stark nichtlinear, und bei großen Geschwindigkeitsmeßbereichen ergeben sich dynamische Schwierigkeiten, die zu einer Einschränkung des Meßbereichs führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei einem Korrelator der eingangs beschriebenen Art Mittel anzugeben, mit denen der Zusammenhang zwischen der Laufzeit /und der Ausgangsspannung des Integralregiere zum Zwecke einer Erweiterung des Dynamikbereichs linearisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele gemäß den Erfindungen anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert, wobei die Fig. 1 und 2a-2c den im Hauptpatent beschriebenen Korrelator darstellt.

Fig. 3 zeigt in Ergänzung zu dem Blockschaltbild der Fig. 1 den erfindungsgemäß zwischen Spannungsfrequenzwandler SFW und Integralregler /angeordneten Funktionsgeber FG. Er wandelt beispielsweise die Ausgangsspannung u, des Integralreglers / in eine dem Spannungsfrequenzwandler als Eingangssignal dienende Spannung U₁, der Form

u_s, = e"',

um, so daß nunmehr zwischen den Modellaufzeiten r_ik und der Integratoräusgangsspannung u_s, der Zusammenhang

₌ Jhk_ -u,

^T'^k k

besteht. Auf diese Weise wird die Nichtlinearität in der Beziehung

Tit

wie die Fig. 4 zeigt, weitgehend kompensiert.

Es sind selbstverständlich auch beliebige andere Funktionsgeber möglich, sofern diese eine Kompensation der Nichtlinearität unter Beibehaltung einer stabilen Arbeitsweise des Gesamtregelkreises zulassen.

Eine andere Möglichkeit zur Kompensierung der Nichtlinearität besteht in der Verwendung eines Spannungsperiodenwandlers SPiV (Fig. 5) anstelle des Spannungsfrequenzwandlers, da bei ersterem für die Perioden-

dauer -γ die Beziehung

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen ¹⁵

_ , ff

/ s !■!

if mit einem Ubertragungsfaktor k' gilt, so daß die Modellaufzeiten x_ik gemäß

--■/* = ",* -k' ■ U₁

ίο der Steuerspannung u_; direkt proportirnal sind.

In beiden Fällen (z. B. e-Funktionsgeber bzw. Spannungsperiodenwandler) erzielt man auch für große
Geschwindigkeitsmeßbereiche eine stabile Arbeitsweise des Korrelators.

Claims (50)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur berührungslosen Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objekts nach dem Korrelationsprinzip mittels in Bewegungsrichtung des Objektes bzw. der Meßapparatur hintereinander angeordneter Meßfühler, die der physikalischen Struktur des Objektes entsprechende, um die Laufzeit Γ gegeneinander verschobene Signale «,(<), u_k(t) = u,(t - T) erzeugen, aus denen mit Hilfe von Begrenzern, eines Schieberegisters zur Einstellung einer Modellaufzeit r, eines Differentiationsgliedes und logischen Verknüpfungsschaltungen ein Signal der Form

x_ik (t, r) = [sgn «,(/ - τ) - sgn u_k(t)] sgn — u_k(t)

gewonnen wird, das einem Integralregler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über einen Spannungsfrequenzwandler mit einer Taktfrequenz/die Laufzeit r des Schieberegisters derart verstellt, bis das Ausgangssignal des Integrationsgliedes bei τ = T abgeglichen ist und bei der

a) insgesamt drei hintereinander in Bewegungsrichtung angeordnete Meßfühler (Λ/|, M₂, M₃) vorgesehen sind mit Meßfühlerabständen I_n (I_n = M₁ M₂), I_n (I_n = M₁ M₃) und I₂₃ (I₂₃ = M₂ M₂), welche drei Signale «i U), U₂ U) und «3 (t) erzeugen und

b) insgesamt drei Schieberegister (SR_n, SR₁₃, SR₂₃) mit Schieberegisterstufenzahlen n_n (bzgl. SR_n)_t λ_!3 (bzgl. SRi₃) und «23 (bzgl. SR₂₃) vorgesehen sind zur Einstellung dreier Modellaufzeiten T_n, T₁₃, und T₂₃ zur Verzögerung des Signals U₁ (t) gegenüber u₂(t), des Signals 1/, (/) gegenüber u₃ (f) und des Signals «2O) gegenüber «3(0, und

c) mit Hilfe von Differentiationsgliedern (Di, D₂), Begrenzern (B₁, B₂, B₃, B₄, B₅) und log. Verknüpfungsschaltungen (L_n L_n, L_X3 L₁₃, L₂₃ L₂₃,) zeitlich parallel insgesamt drei Signale

*n(t, τ_η), x\₃(t, T₁₃) und X₂₃U, T₂₃)
gemäß

x,kit,T_lk) = [sgn H₁-(Z-I*) - sgn u_k(t)] sgn — u_k(t)

/, k = iß

gewonnen werden, welche nach Addition (A) dem Eingang eines einzigen IntegralregJers (/) zugeführt werden, wobei zwischen den Schieberegisterstufenzahlen und den Meßfühlerabständen die Relation

/12 : /|J · /23 ⁼ "12 ^: "13 : «23

45 besteht und jedes der Schieberegister die gleiche Taktfrequenz (f) von dem dem Integralregler (/) nach-

geschalteten Spannungsfrequenzwandler (SFW) erhält, nach Patent 25 44 821,

§ dadurchgekennzeichnet, daß zwischem dem Integralregler (T) und dem Spannungsfrequenzwandler

*| (SFW) ein. Funktionsgeber (FG) geschaltet ist.

Φ so 2. Anordnung zur berührungslosen Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objektes nach dem Korre-

lationsprinzip mittels in Bewegungsrichtung des Objektes bzw. der Meßapparatur hintereinander angeord-

ψ neter Meßfühler, die der physikalischen Struktur des Objextes entsprechende, um die Laufzeit Tgegenein-

£ ander verschobene Signale u,(t), u_k(t) = u,(t- T) erzeugen, aus denen mit Hilfe von Begrenzern, eines Schie-

j; beregisters zur Einstellung einer Modellaufzeit τ eines Differentiationsgliedes und logischen Verknüpfungs-

|j 55 schaltungen ein Signal der Form

f: XikU,r) = [sgn u,(t-τ)-sgnu_k(t)] sgn — u_k{t)

l\ 60 gewonnen wird, das einem Integralregler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über einen Wandler mit einer Taktfrequenz /die Laufzeit r des Schieberegisters derart verstellt, bis das Ausgangssignal des Integrationsgliedes bei τ = T abgeglichen ist, und bei der

a) insgesamt drei hintereinander in Bewegungsrichtung angeordnete Meßfühler (M₁, M₂, M₃) vorgesehen sind mit Meßfühlerabständen I_n (I_n = Λ/, M₂), I_n (l_i3 = Λ/| M₃) und Z₂₃ (/₂₃ = M₂M₃ = I₁₃ - I_n), welche drei Signale U₁(O, u₂(t) und U₃U) erzeugen und

b) insgesamt drei Schieberegister (SR_n, SR_<}, SR₂₃) mit Schieberegisterstufenzahlen n_n (bzgl. 5A₁₂), n,₃ (bzgl. SR\}) und H₂₃ (bzgl. SR₂₃) vorgesehen sind zur Einstellung dreier Modellaufzeiten τ_η, r_t3 und r₂,

zur Verzögerung des Signals u_x (/) gegenüber U₁ U), des Signals w, (/) gegenüber w_t U) und des Signals U₁ U) gegenüber U₃ U), und

c) mit Hilfe von DifFerentiationsgliedern (Z),, Z> >), Begrenzern (B₁, B₁, Bj, B₄, B₅) und log. Verknüpfungsschaltungen (Ln, L_i2; Li₃, Li₃; L₂₃, Ly;) zeitlich parallel insgesamt drei Signale

JQ 2 (A n₂), Xu U, ^Tu) und X₂₃ U, T₂₃)
gemäß

Xik U, Γ/*) = [sgn UiU - r,*) - sgn u_kU)\ sgn -A- u_kU)

A Λ - U

A k = Iß

/, k = 2ß

gewonnen werden, welche nach Addition (A) dem Eingang eines einzigen Integralreglers (J) zugeführt werden, wobei zwischen den Schieberegisterstufenzahlen und den Meßfühlerabstä-.r .fen die Relation

-'l2 '■ l]i '■ hi ~ "12 '■ "l3 '■ "23

besteht und jedes der Schieberegister die gleiche Taktfrequenz (f) von dem dem Integralregler (T) nachgeschalteten Spannungsfrequenzwandler (SFW) erhält, nach Patent 25 44 821,

dadurch gekennzeichnet, daß dem Integralregler (I) ein Spannungsperiodenwandler (SPW) nachgeschaltet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Eine derartige Anordnung dient der berührungslosen Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objektes mit Hilfe des Korrelationsverfahrens (vgl. DE-PS 2133 942) und besteht im wesentlichen aus drei parallel geschalteten Regelkreisen gemäß der Fig. 1.

Dabei sind mit M\, M₂ und M₃ die Meßfühler bezeichnet, die die Oberfläche des Objektes O, das sich mit der Geschwindigkeit ν in Pfeilrichtung bewegt, abtasten und infolge der Rauhigkeit der Oberfläche statistisch schwankende, elektrische Signale w, (ή, U₂ (t) und u; (0 erzeugen. In den Begrenzern B\ und B₂ werden die Signale ι, (t) und ui U) auf die Form sgn u_t (t) und sgn U₁ (t) quantisiert.

Letzteres wird dem einen Eingang (-) der log. Verknüpfunv^schaltung L_n (Differenzbildung) zugeführt, während ersteres nach Verzögerung um die Modellaufzeit τ\₂ mittels des Schieberegisters SR₁₂ an den anderen Eingang (+) der Verknüpfungsschaltung L_n gelangt, deren Ausgang die Differenz sgn u\ (t) - sgn U₂ (■:) ausgibt.

Gleichzeitig wird das Signal U₂ (t) durch das Glied D_x differenziert und in dem Begrenzer ß, auf die Form sgn U₂ U) gebracht. Mit Hilfe der Verknüpfungsschaltung L₁₂ wird insgesamt nun das Produkt

x\i U, T_n) = [sgn a, (/ - T₁₂) - sgn U₂ (/)] sgn U₁ (r)

gebildet und der Additionsschaltung A zugeführt, wo es zu den in entsprechender Weise gewonnenen Signalen

50 *i3 (Λ T_U) = [sgn u, (/ - T_U) - sgn U₃ U)] sgn U₃ (t)

*23 (', T₂₃) = [sgn U₁(I- T₂₃) - sgn U₃ U)] sgn U₃ (t)

addiert wird.

Der dem Additionsglied A nachgeschaltete Integralregler /verstellt mit seiner Ausgangsspannung u/über den Spannungsfrequenzwandler SFW die Taktfrequenz/der Schieberegister 5A₁₂, SRa und SA₂₃, deren Stufenzahlen n_n, "i3 und H₂₃ zu den Meßfühlerabständen I_n, la ^und hi im gleichen Verhältnis stehen:

"ι: ^:"ii :«23 ⁼ In '■ l\i '■ hi

Insgesamt stellt die Anordnung drei parallel geschaltete Regelkreise dar.

Die Wirkung riieser Parallelschaltung läßt sich am besten verdeutlichen duich Betrachtung der zugehörigen Korrelationsfunktionen. F ig. 2a zeigt schematisch die drei Korrelationsfunktionen Φ_η, Φ_π und 4^₃ für die drei Signale sgn u_:, sgn U₂ -3nd sgn U₃. Für die den ersten Ableitungen dieser Korrelationsfunktionen zugeordneten Regelkreisfunktionen R_lk gilt