DE2557483A1

DE2557483A1 - Einrichtung zur umwandlung der rotierenden bewegung einer welle in ein elektrisches signal

Info

Publication number: DE2557483A1
Application number: DE19752557483
Authority: DE
Inventors: Stig Ingvar Karlsson
Original assignee: SVENSK VAERMEMAETNING
Current assignee: SVENSK VAERMEMAETNING
Priority date: 1974-12-20
Filing date: 1975-12-19
Publication date: 1976-07-01
Also published as: FR2295427A1; SE386983B

Description

PATENTANWÄLTE DR. KADOJHjb ^R. KLUNK ER

Patentanwältr Radar« Klunkpr 8 Münrhrn 22 Knopbclstr. 36

AB Svensk Värmemätning Bromma, Schweden

I)R. ING. If. F. KHiNKKR (IMPL INt;.) I)R. RKR. ΝΛΤ.υ. KAI)OR(I)IPLCHKm.)

I)-8Miinrbcn22

K nm'brlsl niRRr Mt

\mMax-II-|)i-nkmal

'IVIrgramm: Ik-Ifml Ti-!px:5-22«X«

19. Dezember 1975
7-ho

Einrichtung zur Umwandlung der rotierenden Bewegung einer Welle in ein elektrisches Signal

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Umwandlung der rotierenden Bewegung einer Welle in ein elektrisches Signal mit einer der Umdrehungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenz.

609827/0889

Derartige Einrichtungen werden in Messinstrumenten verschiedener Arten verwendet, zu welchen eine bewegliche Achse oder Welle gehört, z.B. in Strömungsmessern verschiedener Art, wie Wassermesser, Wärmemengenzähler, elektrische Zähler, usw.

Eine bekannte Einrichtung der oben beschriebenen Art gehört zu einem Wassermesser eines besonderen Typs, welcher ein Messrad umfasst, das in einer Wasserleitung eingeschaltet ist. Die Drehbewegung des Messrades ist abhängig von der Strömung durch die Leitung und diese Bewegung wird, gewöhnlicherweise mit einem kräftigen Magnetschalter zu einem Zählerwerk übertragen, das oft auch mit einem Zeiger versehen ist. In einem Kontaktwerk wird der Zeigerausschlag in für Fernübertragung geeignete Impulse umgewandelt, wobei die Impulsfrequenz der Strömung und damit der Umdrehungsgeschwindigkeit des Messrades proportional ist.

Bei ungleichförmiger Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle oder des Messrades, mit gegebenenfalls vollständigem zeitweisen Stillsetzen, können Vibrationskrä-fte, Ungleichgewicht, Unvollkommenheiten in der Lagerung usw. in gewissen Lagen verursachen, dass falsche ausgehende Impulse erzeugt werden, die Fehler in der Messung geben. Die Welle.kann auch, z.B. auf Grund zufälliger Eückströmung, pendelnde Drehbewegungen vorwärts und rückwärts ausführen,, wobei "falsch" ausgebende Impulse gleichfalls vom Kontaktwerk erzeugt werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung herzustellen, in welcher der Welle gestattet ist, eine erhebliche, pendelnde Drehbewegung auszuführen,

609827/0889

ohne dass "falsche" ausgehende Impulse erzeugt werden. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung der oben beschriebenen Art gelöst, die also bei jedem Messinstrument verwendet werden kann, das eine bewegliche Achse oder Welle umfasst und die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale aufweist.

Eine nähere Beschreibung von einigen als Beispiele gewählten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung wird unten in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm über einen Wärmemengenzähler, einschlißelich der erfindungsgemässen Einrichtung.

Fig. 2a das Signal von einem vorbekannten Kontaktwerk als Funktion des elektrischen Winkels,

Fig. 2b die Signale bei verschiedenen Ausfühbis g rungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung, und

Fig. 3 einige Beispiele von Schaltungen in bis 6 verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung.

Zu Wärmemengenzähler, in erster Linie für Messung vom Wärmeverbrauch in Mietshäusern, Industrien, Wohnungsgebieten usw. gehört ein Strömungsmesser mit Kontaktwerk. Bei Übertragung von Wärmeenergie wird nämlich oft umlaufendes Heisswasser verwendet. An der Verbrauchsstelle passiert das Heisswasser einen Wärmeaustaucher,

609827/0889

wobei es gekühlt wird. Die abgeflossene Wärmeenergie ist gleich dem Zeitintegral des Produktes von Wasserfluss und dem Unterschied zwischen der Wassertemperatur in der Vorwärts- und Rückleitung. Die Wärmeenergie kann als

E » K . | (t_F - t_R) . d fi

ausgedrückt werden',

wo E die abgeflossene Wärmeenergie

K eine Konstante,

tj, und tr, die Wassertemperatur in der Vorwärtsbzw. Rückleitung
und φ den Wasserfluss bezeichnen .

Die Integration kann durch wiederholte Messungen des Temperaturunterschiedes erfolgen, wobei das Messergebnis digitalisiert und zu dem vorherigen Messergebnis addiert wird. Die Messungen werden in einem Takt wiederholt, der von dem Wasserfluss bestimmt wird. Als Taktgeber wird ein Wassermesser von oben angedeuteter Art mit einem Kontaktwerk verwendet. Ein Blockdiagramm"~von einem solchen Wärmemengenzähler wird in Fig. 1 gezeigt. Die Temperatur in der Vorwärts- 12 und Rückleitung 13 des Umlaufkreises, tj, bzw. t_R, wird durch die Widerstandsthermometer Rp und Rg gemessen.

In dem Raum 11 in dem Umlaufkreis ist das Messrad angeordnet und ein Kontaktwerk mit zwei Zungenelementen 14-gibt zwei Impulsreihen u_A und u_ß mit einer Frequenz ab, die der Umlaufzahl des Messrades proportional ist, d.h. der Strömung in dem Kreis. Über einen elektrischen Kreis 15 steuern diese Impulsreihen einen Zeitbasisge-

60 9 827/0889

nerator 16 um einen Messimpuls zu den Widerstandsthermometern abzugeben, die dann von einem Impulsstrom durchströmt werden. Der Temperaturunterschied tj, - t_R wird in einem Differenzbilder 17 in einen Differenzstrom I umwandelt, der in einem AD-Umsetzer 18 in eine Impulsreihe übersetzt wird, deren Frequenz dem Temperaturunterschied proportional ist und deren Länge gleich der Länge des Messimpulses ist. Diese Impulsreihe wird einem elektronischen Zähler 19 zugeführt, der mit geeigneter Übersetzung ein Zählerwerk 20 für Wärmeeinheiten vorschiebt. Durch Ausformung des Kontaktwerkes mit zwei Zungenelementen und durch Schaltung eines in geeigneter Weise ausgeformten Kreises 15» der unten näher beschrieben wird, zu dem Kontaktwerk, wird der oben angegebene Hystereseeffekt so vergrössert, dass für das Messrad eine grössere pendelnde Drehbewegung gestattet werden kann, ohne dass falsche ausgehende Impulse auf dem Eingang des Zeitbasisgenerators 16 erzeugt werden.

Von einem einen permanenten Magnet und ein Zungenelement umfassenden Kontaktwerk wird ein Ausgangssignal erhalten, das, mit dem elektrischen Winkel c*?t gemäß der mit ausgezogenen Linien gezeigten Kurve a) in Fig. 2 bei der Umdrehung des Messrades variiert. 09 bezeichnet die WinkeIfre-quenz und t die Zeit. Die Anzahl der Impulse per Umdrehung von dem Messrad ist dabei durch die Ausformung des Kontaktwerkes bestimmt. Wenn die Bewegung des Messrades die Richtung ändert, wird aufgrund der Hysteresephänomene ein Ausgangssignal gemäss der gestrichelten Kurve a) in Fig. 2 erzeugt. Die Grosse der gezeigten Hysterese entspricht dem Winkel, womit die Welle pendelnd rückwärts und vorwärts, ohne Gefahr für Erzeugung von falschen Impulsen, gedreht werden kann.

609827/088S

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die eine wesentlich grössere pendelnde Drehbewegung der Welle, ohne Gefahr für Erzeugung von falschen Impulsen, gestattet, sind zwei Impulsgeber A und B, in Fig. 1 der permanente Magnet und zwei Zungenelemente des Kontaktwerkes 14, mit einer gewissen gegenseitigen mechanischen Winkelverschiebung in der Umkreiarichtung der Welle oder des Messrades angeordnet. Diese zwei Impulsgeber erzeugen zwei ähnliche Reihen u. bzw. Ug von im wesentlichen Viereckimpulsen, die eine der mechanischen Winke!verschiebung entsprechende elektrische Phasenverschiebung und eine der Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechende Frequenz haben. Die Kurven b) und c) in Fig. 2 geben u. bzw. u™ als Funktion des elektrischen Winkels Cj> t wieder, wo <& die Winkelfrequenz und t die Zeit bezeichnen. In diesem Fall sind die Impulsgeber A und B mit einer gegenseitigen mechanischen Winkelverschiebung angeordnet, die eine Phasenverschiebung zwischen den dazugehörigen Impulsreihen u_A und Ug von 90 elektrischenGraden entspricht. Die Impulsreihen u_A und Ug werden dem Kreis 15 zugeführt, der eine derivierende. RC-Schaltung für jedö"Impulsreihe enthält, die die Kanten der Impulse fühlt, sowie einen Speicherkreis 1, siehe Fig. 3· Der Speicherkreis ist so angeordnet, dass er von der Vorderkante der Impulse in der Impulsreihe u^ angesteuert wird und von der Vorderkante der Impulse in der Impulsreihe u_B zurückgestellt wird. In dieser Weise wird von dem Speicherkreis 1 eine Ausgangsimpulsreihe u, erhalten, deren Frequenz dieselbe wie in den Impulsreihen u_A und u_ß ist, d.h. der Frequenz von U₁ entspricht die Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle. Die Länge der Impulse in u-j sind gleich der Phasenverschiebung zwischen den Impulsreinen u_A und Ug, siehe Kurve d) in Fig. 2. Bei dieser Aus-

609827/0889

führungsform kann die Welle eine pendelnde Drehbewegung abführen, die 90 elektrischen Graden entspricht, ohne Gefahr dafür, dass der Speicherkreis 1 falsche Ausgangsimpulse erzeugen wird.

Eine Irequenzverdoppelung der Impulsreihe U₂ von dem Speicherkreis 1 wird erhalten, wenn sowohl die Vorderkante als auch die, Hinterkante der Impulse in der Impulsreihte u. den Speicherkreis ansteuert, während beide Kanten der Impulse in der Impulsreihe Ug ihn zurückstellen. In Fig. 4· ist ein Schaltungsschema über den Kreis 15 für die Ausführung dieser Frequenzverdoppelung gezeigt. Die Impulsreihen u^ und u_ß werden dabei den beiden Eingängen Je eines ODER-Tors einerseits direkt über eine RC-Schaltung und andererseits über einen Inverter 5 Ψ& eine RC-Schaltung zugeführt. Die Ausgänge der ODER-Tore sind dem Speicherkreis angeschlossen. Bei dieser Ausführung mit Frequenzverdoppelung bei der erfindungsgemässen Anordnung kann die Welle sich mit einem nechanisehen Winkel pendelnd drehen, der 90° der ursprünglichen Periode oder 180° der Periode bei verdoppelter Frequenz entspricht, ohne Gefahr-dfifür, dass der Speicherkreis einen Ausgangsimpuls erzeugt, (siehe Kurve e) in Fig. 2,.die U₂ als Funktion von CJ t wiedergibt.

Eine zusätzliche Sicherheit gegen Erzeugung von falschen Impulsen, wenn die Welle eine pendelnde Umdrehungsbewegung vorwärts und rückwärts ausführt, wird erreicht, wenn der Speicherkreis 1 so angeordnet ist, dass er von der Vorderkante der Impulse in der Impulsreihe u_A nur dann angesteuert wird, wenn diese Kante zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in der Impulsreihe u~ auftritt, und von der Hinterkante der Impulse in u. nur dann zu-

809827/0889

rückgestellt wird, wenn diese Hinterkante während einer der Impulse in u-g auftritt. Bei der Umdrehung der Welle wird dabei von dem Speicherkreis 1 eine Ausgangsimpulsreihe Ut gemäss Kurve f) in Fig. 2 erhalten. Bei dieser Ausführungsform kann die Welle sich mit einem mechanischen Winkel, der 180 elektrischen Graden entspricht, pendelnd drehen, ohne Gefahr dafür, dass der Speicherkr,eis einen Ausgangsimpuls erzeugt. Ein zusätzlicher Vorteil mit dieser Ausführungsform ist, daß die Anordnung richtungsempfindlich wird. Bei Umdrehung rückwärts wird der Speicherkreis nicht beeinflußt.

In Fig. 3 wird die Ausführung der Anordnung 15 für die Realisierung dieser Ausführungsform gezeigt. Zu den Eingängen eines ersten UND-Tors 4- werden einerseits Impulse in der Impulsreihe u^ über eine RC-Schaltung und andererseits Impulse in der Impulsreihe Ug über einen Inverter 3 zugeführt. Den Eingängen eines anderen UND-Tors 5 werden einerseits Impulse in u-g direkt und andererseits Impulse in u_A über einen Inverter 3 und eine RC-Schaltung zugeführt. Die Ausgangssignale von den beiden UHD-Toren werden dann dem SpeicherkreHi 1 zugeführt.

Eine richtungsempfindliche Anordnung, die eine Frequenz-Verdoppelung gibt, wird durch einen Speicherkreis 1 erhalten, der so angeordnet ist, dass er einerseits von der Vorderkante der Impulse in der Impulsreihe u., wenn die Vorderkante zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in der Impulsreihe u-g auftritt, und andererseits von der Hinterkante der Impulse in der Impulsreihe u., wenn diese während.eines Impulses in der Impulsreihe u_B auftritt, angesteuert wird, während der Speicherkreis einerseits von der Vorderkante der

609827/0889

Impulse in Ug, wenn diese Vorderkante während eines Impulses in u« auftritt, und andererseits von der Hinterkante der Impulse in u,,, wenn diese in das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in u_A fällt, zurückgestellt wird. Die Ausgangsimpulsreihe U₁, von dem Speicherkreis 1 als Funktion von&Pt in dieser Ausführungsform ist von Kurve g) in Fig. 1 wiedergegeben und,in Fig. 6 ist ein Schaltungsschema für die Realisierung dieser Ausführung der Anordnung gezeigt.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird zweckmässig der Speicherkreis 1 von einem bistabilen Speicherelement gebildet.

Die Impulsgeber A und B können von einem Kontaktwerk mit einem permanten Magnet und zwei Zungenelementen gebildet werden. Der Magnet ist dabei im allgemeinen mit mehreren Polpaaren per Umdrehung ausgeformt.

Die Impulsgeber können auch aus einer Blendenscheibe und einer optischen Lesegabel bestehen. Der-Lesegabel ist dabei zweckmässig ein Schwellenkreis nachgekoppelt, der das Signal von der Lesegabel in eine Reihe von Viereckimpulsen u_A bzw. u_ß umformt.

609827/0889

Claims

Patentansprüche

Einrichtung zur Umwandlung der rotierenden Bewegung einer Welle in ein elektrisches Signal mit einer der Umdrehungsgeschwindigkeit proportionalen Frequenz, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Impulsge"ber(A, B) mit einer gegenseitigen mechanischen Winkelverschiebung in der Umkreisrichtung der Welle für Erzeugung von zwei Impulsreihen (^ub»^u^) angeordnet sind, die eine der mechanischen Winkelverschiebung entsprechende elektrische Phasenverschiebung und eine der Umdrehungsgeschwindigkeit entsprechende Frequenz haben, woneben jede Impulsreihe einem Speicherkreis zugeführt werden kann, welcher Kreis so angeordnet ist, dass er abhängig von einer vorbestimmten Beziehung zwischen den Impulsen in jeder Impulsreihe eine Ausgangsimpulsreihe U₁ mit einer der Umdrehungsgeschwindigkeit der Welle entsprechenden Frequenz abgibt, wobei die Welle in Abhängigkeit von der genannten Beziehung zwischen den Impulsen einen gewissen wesentlichen Winkel pendelnd rückwärts und vorwärts gedreht werden kantr^ ohne einen Ausgangsimpuls von dem Speicherkreis 1 zu erzeugen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Speicherkreis aus einem bistabilen Element besteht, das zwischen einem angesteuerten und einem rückgestellten Zustand geschaltet werden kann, und dass die dem Speicherkreis zugeführten Impulsreihen im wesentlichen rechteckige Impulse mit derselben Dauer enthalten.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicherkreis von der

609827/0889

Vorder- und/oder Hinterkante der Impulse in der einen Impulsreihe angesteuert wird und von der Vorder- und/oder Hinterkante der Impulse in der anderen Impulsreihe zurückgestellt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet, dass der Speicherkreis so angeordnet ist, dass er von der Vorderkante der Impulse in der einen Impulsreihe angesteuert wird, wenn diese in das Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in der anderen Impulsreihe auftritt, und dass der Speicherkreis von der Hinterkante der Impulse in der einen Impulsreihe zurückgestellt wird, wenn diese während eines Impulses in der anderen Impulsreihe auftritt.
5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Speicherkreis so angeordnet ist, dass er von der Vorderkante der Impulse in der einen Impulsreihe, wenn diese in dem Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in der anderen Impulsreihe auftritt^-und von der Hinterkante in der einen Impulsreihe, wenn diese während eines Impulses in der anderen Impulsreihe auftritt, angesteuert wird, und dass der Speicherkreis von der Vorderkante in der anderen Impulsreihe, wenn diese während eines Impulses in der einen impulsreihe auftritt, und von der Hinterkante der Impulse in der anderen Impulsreihe, wenn diese in dem Intervall zwischen zwei aufeinander folgenden Impulsen in der einen Impulsreihe auftritt, zurückgestellt wird.

609 8 27/0889
6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Impulsgeber ein Kontaktwerk mit zwei Zungenelementen umfassen.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , dass die Impulsgeber eine Blendenscheibe und eine optische Lesegabel umfassen.
8. Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , dass die Impulsgeber einen der Lesegabel nachgekoppelten Schwellenkreis umfassen, der das Signal von der Lesegabel in eine Reihe von Viereckimpulsen umwandelt.

609827/0888