DE2612238A1 - Verfahren zur ermittlung der vektor- komponenten einer schwingung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur ermittlung der vektor- komponenten einer schwingung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
4.207 D
CARL SCHENCK AG OC-IOOOQ
22. 3. 1976 Ib t llOQ
Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung
und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Vektor-" Komponenten (z.B. X, Y oder Größe und Phasenlage) einer Schwingung
aus einem mit Störsignalen behafteten Meßsignal (Schwingungsgemisch)
und einem Bezugssignal und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der Schwingungsanalyse besteht die Aufgabe, aus einem Schwingungsgemisch einzelne Frequenzkomponenten oder Schwingungen
zu ermitteln. Mathematische Verfahren zur Lösung dieser
Aufgabe sind bekannt (harmonische Analyse), ebenso technische Realisierungsmöglichkeiten. In der Auswuchttechnik sind dies
z.B. das wattmetrische Meßverfahren, die Hall-Multiplikation
und die gesteuerte Gleichrichtung. Das zu analysierende Schwingungsspektrum oder Schwingungsgemisch liegt meist als elektrisches
Meßsignal, z.B. als Spannung, vor oder wird in ein elektrisches Meßsignal umgewandelt. Das Schwingungsgemisch enthält
neben der interessierenden Schwingung oder Frequenzkomponente im allgemeinen eine Vielzahl weiterer Storschwingungen unterschiedlicher
Amplitude und Frequenz, die unterdrückt oder ausgeschieden werden müssen. Zu diesem Zweck wird nach den bekannten
Verfahren das Meßsignal mit einem Bezugssignal auf elektrischem Wege multiplikativ verknüpft und anschließend integriert.
Dadurch erhält man z.B. die X- und Y-Komponenten in einem rechtwinkligen Bezugssystem oder die Größe und Phasenlage
(in Polarkoordinaten) der interessierenden Schwingung, z.B. einer Unwuchtschwingung.
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Bei allen bekannten Verfahren ist die Produktbildung zwischen
Meßsignal und Bezugssignal mehr oder weniger stark fehlerbehaftet. Insbesondere treten leicht Nullpunktfehler auf. Darüberhinaus
ist die technische Realisierung der genannten Verfahren
aufwendig und damit teuer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung aus einem
mit Störsignalen behafteten Meßsignal und einem Bezugssigna] zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik vermeidet,
das eine hohe Genauigkeit aufweist, einen vernachlässigbaren
Nullpunktfehler hat und das eine preiswerte technische
Realisierung ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßsignal als analoges Signal dem Referenzspannungs-Eingang
eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers (D/A-Wandler) und das Bezugssignal dem digitalen Eingang
des Wandlers zugeführt wird, wobei das Bezugssignal aus zur Komponenten-Ermittlung geeigneten Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerten
einer Schwingung besteht, die der zu ermittelnden Schwingung frequnzgleich ist, und daß die am Ausgang des
D/A-Wandlers anliegenden Analog-Signale zur Komponenten-Ermittlung
weiterverarbeitet werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine einfache und genaue Verknüpfung zwischen Meßsignal und Bezugssignal,
die einen vernachlässigbaren Nullpunktfehler hat und preisgünstig herzustellen ist. Die Genauigkeit liegt hierbei wesentlich
höher als bei analogen Verknüpfungsverfahren. Teure analoge Bezugssignalgeber (Phasengeber) können bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren entfallen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte einem digitalen
Speicher entnommen, wobei die Kosinus-Werte (durch Phasenverschiebung) auch aus Sinus-Werten abgeleitet werden können.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Entnahme der Bezugswerte aus dem Speicher durch einen als Adressenzähler
dienenden Binärzähler gesteuert. Dabei kann der Speicher während einer Periode der zu ermittelnden Schwingung mehrmals
durchlaufen werden.
Durch Vorgabe von festen Adressen (Zählerständen) kann eine beliebige Phasenlage der Bezugswerte erzeugt werden. Der Zähler
wird in diesem Fall so gesetzt, daß er beim Startimpuls nicht vom Zählerstand Null, sondern von einem beliebig vorgegebenen
Zählerstand aus weiter zählt und damit den Speicher für die Bezugswerte so ansteuert, daß die dem jeweiligen Zählerstand
entsprechenden Werte avs dem Speicher entnommen werden.
Weiterhin wird es als Vorteilhaft angesehen, den Ausgang des D/A-wandlers in Abhängigkeit vom Stand des Adressenzählers zu
invertieren. Damit kann auf einfache Weise die negative Halbwelle des Bezugssignals nachgebildet werden. Es ist jedoch auch
möglich, die negativen Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte durch entsprechende Programmierung des digitalen Speichers zu erzeugen.
Eine vorteilhafte Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergibt sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen multiplizierenden Digital-Anal
og-¥and ler mit einem analogen Eingang für Referenzsignale und einem digitalen Eingang für umzuwandelnde Digital-Signale,
wobei dem analogen Eingang das Meßsignal und dem digitalen Eingang digitale Sinus-Bezugswerte mit bestimmter Phasenlage zugeführt
werden, einen digitalen Speicher für die Bezugswerte sowie einen von einem Bezugssignal-Geber gesteuerten Binärzähler
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für die Adressierung und Fcrtschaltung des digitalen Speichers.
Durch diese Schaltungsanorünu/ig kann die Verknüpfung zwischen
MePsignal und Bezugssignal mit einfachen Bauelementen verwirklicht
werden. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dabei
billiger und arbeitet genauer als bekannte Anordnungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
am Ausgang des D/A-wandlers eine Inverterseha]tung angeschlossen
ist, die das Ausgangssignal dann invertiert, wenn die Zählerstellung
des Binärzählers einen vorgegebenen Wert aufweist. Hierdurch ist es möglich, auf einfache Weise die negativen
Halbwellen des Bezugssignals zu erzeugen.
Zweckmäßigerweise wird der Binärzähler als Vorwahlzähler ausgebildet,
der auf beliebige Zählerstellungen einstellbar ist. Durch Vorgabe geeigneter Anfangswerte für den Zähler kann auch
der erste Bezugswert für eine Periode des Bezugssignals vorgegeben werden. Hierdurch ist es möglich, die Phasenlage der Bezugswerte
zu ändern und beispielsweise aus einem Speicher mit Sinus-Bezugswerten durch eine Phasenverschiebung um$"~/2 die
Kosinus-Werte zu entnehmen.
Die Erfindung .wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
vereinfacht und schemati sch dargestellt und an Hand der Schaltungsanordnungen näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel zeigt
die Ermittlung der Unwuchtschwingung an einem umlaufenden Körper.
Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern kann allgemein für die Ermittlung von Schwingungen verwendet
werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Schaltungsanordnung an einer Auswuchtvorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 2 Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von Meßsignal und Bezugssä gnalen.
In Fig. 1 sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile
der Schaltung einer Auswuchtvorrichtung dargestellt. Mit der Schaltungsanordnung soll die X- und die Y-Komponente der Unwucht
schwingung in einem rechtwinkligen Koordinatensystem (Bezugssystem) in einer Auswuchtebene ermittelt werden.
Ein Meßsignal-Aufnehmer 1 bekannter Art, z.B. ein induktiver Aufnehmer, ist an einer nicht dargestellten Auswuchtvorrichtung
angebaut. Der Aufnehmer liefert ein Meßsignal 2, das die zu ermittelnde Unwuchtschwingung eines in der Auswuchtvorrichtung
rotierenden Körpers zusammen mit Störsignalen unterschiedlicher Frequenz und Amplitude enthält.
Ein an der Auswuchtvorrichtung angebauter Bezugssignal-Geber 3 liefert ein Bezugssignal 4a, das die Phasenlage der zu ermittelnden
Schwingung festlegt. Weiterhin liefert der Geber pro Umdrehung eine feste Anzahl von impulsförmigen Signalen
(Zählimpulsen) 4, mit denen die Bezugswerte für die Verknüpfung mit dem Meßsignal gewonnen werden. Der Geber kann im einfachsten
Fall z.B. eine synchron mit dem auszuwuchtenden Körper umlaufende Lochscheibe sein. Diese Lochscheibe erzeugt in
einer geeigneten Schaltung bei jeder Umdrehung sowohl einen Einzelimpuls, der die Periode bzw. die Phasenlage des Bezugssignals festlegt als auch eine bestimmte Anzahl von Impulsen
für die Gewinnung der Bezugswerte. Der Bezugssignal—Geber kann
auch ein beliebiger anderer Impulsgeber oder z.B. eine Impulsvervielfacher-Schaltung
sein, mit der die Phasenlage festgelegt und impulsförmige Signale erzeugt werden können. Solche
Geber sind bekannt und gehören zum Stand der Technik.
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Es ist noch darauf hinzuweisen, daß der Begriff "Bezugssignal" oft für zwei unterschiedliche Arten von Signalen verwendet
wird: einmal für Signale, mit denen das Bezugssystem einer Schwingung bzw. die Phasenlage der Schwingung in Bezug auf das
Signal festgelegt wird und zum anderen für Signale, z.B. sinusförmige Spannungen oder Sinus-Werte, die zur Multiplikation
mit dem Meßsignal dienen.
Das Meßsignal 2 und die Bezugssignale 4 bzw. 4a werden auf den Eingang einer Einrichtung 5 geführt, die in Fig. 2 näher beschrieben
wird. Am Ausgang der Einrichtung 5 liegen zwei analoge Spannungen 6 und / vor, aus denen in bekannter Weise nach
Integration in einer Integrations-Einrichtung 8, die X- und Y-Komponenten 9 und 10 der gesuchten umlauffrequenten Unwuchtschwingung
ermittelt und beispielsweise an Anzeigegeräten 11 und 12 angezeigt werden können.
Ehe die Einrichtung 5 beschrieben wird, soll zunächst kurz das Prinzip eines D/A-Wandlers bekannter Art erläutert werden.
Ein D/A-Wandler hat die Aufgabe, ein digital vorliegendes Signal N in eine analoge Größe U , umzuwandeln. Dies geschieht
an a χ ο g
zum Beispiel entsprechend der Beziehung: U al _ U1 · N,
wobei N als reine Binärzahl mit η Bit-Umfang vorliegen möge. U , ist eine analoge Referenzspannung, die bei einem D/A-Wandler
den Größtwert der Ausgangsspannung U-, festlegt. Eine Abwandlung des D/A-Wandlers liegt vor, wenn die analoge Referenzspannung
U , veränderlich ist. D/A-Wandler mit veränder-
CcL-J-
licher Referenzspannung werden bevorzugt auf dem Gebiet der Zeichenerzeugung auf Sichtschirmen eingesetzt. Solche Wandler
werden auch als multiplizierende D/A-Wandler bezeichnet, da sie praktisch die Multiplikation eines digitalen Signals mit einer
analogen Größe bewirken. Die Wandler sind kommerziell erhältlich, z.B. von der Firma Analog Devices der Typ AD 7520.
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In Fig. ?. ist die Einrichtung 5 aus Pig. 1 mit v/eiteren Einzelheiten
dargestellt. Die Einrichtung 5 dient zur Verknüpfung des Meßsignals mit den Bezugssignalen. Dabei handelt es
sich um eine gemischte Verknüpfung, d.h. ein Signal (das Meßsignal} liegt als analoges Signal vor während das zweite Signal
(das Bezugssignal) als digitales Signal erzeugt bzw. abgerufen und mit dem analogen Signal verarbeitet wird.
Die Einrichtung 5 besteht aus zwei praktisch identischen Schaltungsanordnungen
5a und 5b. Die Schaltung 5a dient zur Ermittlung der X-Komponente und die Schaltung 5b zur Ermittlung der
7-Komponente der Unwuchtschwingung.
Der Bezugssignal-Geber 3 liefert bei jeder Umdrehung des auszuwuchtenen
Körpers zunächst einen Start- oder Setzimpuls 4a, der auf den RUcksetzeinge-.ng S eines Binärzählers 20 gegeben
wird. Damit wird der Zähler jeweils auf Null gestellt. Weiterhin liefert der Bezugssignal-Geber 3 bei jeder Umdrehung eine
bestimmte Anzahl von Zähl-Impulsen, die auf den Zähleingang
des Binärzählers 20 gegeben werden. Der Binärzähler hat eine
Kapazität von 2m Bit. Die Kapazität des Zählers wird zunächst
so gewählt, daß sich die gewünschte Unterteilung (Quantisierung) des Bezugssignals ergibt. Darüberhinaus kann die Zähler-Kapazität
so festgelegt werden, daß ein vom Zähler angesteuerter Speicher mehrmals während einer Periode des Bezugssignals (einer
Umdrehung) durchlaufen wird.
Der Binärzähler dient als Adressenzähler zur Adressierung eines Digitalspeichers 21 mit 2m verschiedenen Adressen. Die Adressen
des Digitalspeichers 21 werden mit einer um den Faktor 2m
höheren Frequenz als die interessierende Frequenz der Unwuchtschwingung fortgeschaltet. Dies bedeutet, daß der Digitalspeicher
bei jeder Umdrehung bzw. bei jeder Schwingungsperiode
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zweimal durchlaufen wird. Der Bezugssignal-Geber muß also bei jeder Umdrehung bzw. für jede Periode des Bezugssignals doppelt
so viele Zähl-Impulse abgeben als Speicherplätze vorhanden
sind. Seine Pulsrate f ist gegeben durch: f = 2m · cs-/2'iT,
wenn 6) die Kreisfrequenz der Unwucht schwingung ist.
Der Digitalspeicher ist so programmiert, daß er die fortlaufenden Sinus-Werte und zwar für eine halbe Umdrehung bzw. Periode
des Bezugssignals, d.h. die Werte für sin 0 - i8c enthält.
Sein Inhalt unter der Adresse Nr. 1 ist also gleich sin 0 und unter der Adresse (p+1) gleich sin (p · 160 /2 ), wobei (p+1) ^
Anzahl der Speicherplätze 2 . Durch die angegebene Abstimmung der Impulszahl pro Umdrehung mit der Anzahl der Speicherplätze
und die angegebene Programmierung des Digitalspeichers, wird auf einfache Weise das mit der Unwuchtschwingung frequenzgleiche
Referenzsignal als digitale Sinus-Funktion erzeugt.
In gleicher Weise wie beschrieben kann in der Schaltungsanordnung 5b über einen weiteren binären Zähler und einen weiteren
Digitalspeicher eine digitale Kosinus-Funktion erzeugt werden.
Der Binärzähler 20 kann auch als Vorwahlzähler ausgebildet sein. In diesem Fall ist es möglich, den Zähler von jedem beliebigen
Zählerstand aus zu starten. Damit kann beispielsweise für die Sinus- und Kosinus-Bezugswerte der gleiche digitale
Speicher verwendet werden. Zur Abrufung der Kosinus-Werte wird hierbei der Vorwahlzähler über einen Setzeingang S, der dem
Rücksetzeingang des einfachen Zählers entspricht, auf eine Start- oder Ausgangsposition gesetzt, die einem Phasenwinkel
von T/l entspricht. Falls erforderlich, können auch beliebige
andere Phasenwinkel über den Setzeingang vorgegeben werden, z.B. zur Ermittlung der Unwucht-Komponenten in einem schiefwinkligen
Koordinatensystem.
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Die Arbeitsweise von binären Zählern und digitalen Speichern
ist bekannt, so daß über die oben angegebenen Einzelheiten hinaus keine weiteren Angaben für das Verständnis der Schaltungsanordnung
erforderlich sind. Für die Zähler und Speicher können geeignete handelsübliche Bauelemente verwendet werden.
Die im Digitalspeicher 21 enthaltenen Werte werden im Takt der
Zähl-Impulsfrequenz fortlaufend auf den digitalen Eingang eines D/A-Wandlers 22 geschaltet. Ein solcher wandler ist auch in der
Schaltungsanordnung 5b vorhanden. Das Meßsignal 2 wird auf den
analogen Referenzspannungs-Eincrang U des Wandlers gelegt.
Im D/A-Wandler 22 findet nun eine multiplikative Verknüpfung
zwischen dem Meßsignal 2 und dem jetzt in Form von digitalen Sinus- oder Kosinus-Werten vorliegenden Bezugssignal 4a statt.
.Am Ausgang U -. des Wandlers liegt danach eine analoge Spannung
an, die das Produkt aus dem Meßsignal und den Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerten darstellt.
Da eine digitale Zahl immer als Betrag vorliegt, werden den D/A-Wandlern nur positive Werte des Bezugssignals zugeführt.
Die negative Halbwelle des Bezugssignals wird nun dadurch erzeugt, daß das am Ausgang des Wandlers anliegende Signal bei
den Sinus-Werten (in 5a) für den Bereich von 180 - 360 und
bei den Kosinus-Werten (in 5b) für den Bereich von 90 - 270 invertiert wird. Dies geschieht in der Schaltungsanordnung 5a
dadurch, daß das Signal durch eine Inverterschaltung 23 dann umgeschaltet wird, wenn das höchstwertige Bit Qm des Adressenzählers
gleich 1 ist. In der Schaltungsanordnung 5b wird die Umschaltung (Invertierung) in ähnlicher Weise dann bewirkt,
wenn der dem Kosinus-Wert Null entsprechende Zählerstand vorliegt.
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Am Ausgang der Schalturigsanordnungen 5a und 5 b liegen jetzt
analoge Ausgangsspannungen 6 und 7 (U ) an, die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden können. Durch Integration der
analogen Spannungen in der Integrations-Einrichtung 8 wird aus der Schaltung 5a die X-Komponente der Unwuchtschwingung als
Spannung 9 und aus der Schaltung 5b die Y-Komponente als Spannung 10 ermittelt und auf den Anzeigegeräten 11 und 12 dargestellt. Die Spannungen 9 und 10 können in bekannter Weise auch für die Darstellung der Unwuchtschwingung nach Größe und Winkellage (in Polarkoordinaten) oder für die Steuerung des Unwuchtausgleichs verwendet werden.
analoge Ausgangsspannungen 6 und 7 (U ) an, die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden können. Durch Integration der
analogen Spannungen in der Integrations-Einrichtung 8 wird aus der Schaltung 5a die X-Komponente der Unwuchtschwingung als
Spannung 9 und aus der Schaltung 5b die Y-Komponente als Spannung 10 ermittelt und auf den Anzeigegeräten 11 und 12 dargestellt. Die Spannungen 9 und 10 können in bekannter Weise auch für die Darstellung der Unwuchtschwingung nach Größe und Winkellage (in Polarkoordinaten) oder für die Steuerung des Unwuchtausgleichs verwendet werden.
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Claims (1)
- 4.207 DPatentansprüche :( 1.}Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten (z.B. X, Y oder Größe und Phasenlage) einer Schwingung aus einem mit Störsignalen behafteten Meßsignal (Schwingungsgemisch) und einem Bezugssignal, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal (2) als analoges Signal cem Referenzspannungs-Singang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers(o/A-Wandler) (22) und das Bezugssignal dem digitalen Eingang des Wandlers zugeführt wird, wobei das Bezugssignal aus zur Komponenten-Ermittlung* geeigneten Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerten einer Schwingung besteht, die der zu ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist, und daß die am Ausgang des D/A-Wandlers (22) anliegenden Analog—Signale (6, 7) zur Komponenten—Ermittlung weiterverarbeitet werden.2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte einem Speicher (21) entnommen werden.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Kosinus-Bezugswerte aus Sinus-Bezugswerten abgeleitet werden..4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der digitalen Bezugswerte aus dem Speicher (21) durch einen als Adressenzähler dienenden Binär zähler (2Q) gesteuert wird.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler (20) den Speicher (21) so fortschaltet, daß der Speicher während einer Periode der zu ermittelnden Schwingung mehrmals durchlaufen wird.709839/0361- 12 -- Vt - ' 4.207 D6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnetr daß durch Vorgabe Von festen Adressen (Zählerständen) im Binärzähler (20) eine beliebige Phasenlage der Bezugswerte erzeugt wird.7« Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des d/a-Wandlers (22) in Abhängigkeit vom Stand des Adressenzählers (20) Invertiert wird.8« Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch T , gekennzeichnet durch einen multiplizierenden Digital—Analog—Wandler (22) mit einem analogen Eingang (TI ,) für Referenzsignale und einem digitalen Eingang, wobei dem: analogen Eingang das Meßsignal (2) und dem digitalen Eingang Sinus—Bezugswerte mit bestimmter Phasenlage zugeführt werden, einen digitalen Speicher (21) für die Bezugswerte sowie einen von einem Bezugssignal-Geber (3) gesteuerten Binärzähler (2Q) für die Adressierung und Fortschaltung des digitalen Speichers (21).9« Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzexchnet, daß am Ausgang des D/A-Wandlers (22) eine Inverterschaltung (23) angeschlossen ist, die das Ausgangssignal des Wandlers dann invertiert, wenn die Zählerstellung des Binärzählers (20) einen vorgegebenen Wert aufweist.10» Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler (20) als Vorwahlzähler ausgebildet und auf beliebige ZählStellungen einstellbar Ist.11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung jeder einzelnen Vektor-Komponente eine eigene Schaltungsanordnung (5a, 5b) vorgesehen Ist.7Q9839/0361
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Also Published As
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DE2612238C3 (de) | 1981-07-30 |
GB1517655A (en) | 1978-07-12 |
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