DE2612238C3 - Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Vektcr-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 Aufgaben sind
bekannt (harmonische Analyse), ebenso technische Realisierung-nöglichkeiten. 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 Störschwingungen 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 /-Komponenten in einem rechtwinkligen Bezugssystem oder die Größe und
Phasenlage (in Polarkoordinaten) der interessierenden Schwingung, z. B. einer Unwuchtschwingung.
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 Bezugssignal zu schaffen, 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/AWandler)
und das Bezugssignal dem digitalen Eingang des Wandlers zugeführt wird, wobei das Bezugssignal
aus zur Komponenten-Ermittlung geeigneten Sinusbzw. Kosinus-Bezugswerten einer Schwingung besteht,
die der zu ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist, und daß die am Ausgang des D/A-Wandlers anliegen-
den Analog-Signale zur Komponemen-Ermittiung
weiterverarbeitet werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine einfache und genaue Verknüpfung zwischen Meßsignal
und Bezugssignal, die einen vernachlässigbaren Null- >
punktfehler 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 Ausgt- i«
staltung des Erfindung werden die Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte unter Steuerung durch das
Bezugssignal einem digitalen Speicher entnommen, wobei die Kosinus-Werte (durch Phasenverschiebung)
auch aus Sinus-Werten abgeleitet werden können. i"»
Nach einer weiteren Ausgestaltung 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 2a durchlaufen werden.
Durch Vorgabe von festen Adressen (Zählerständen) bei Zählbeginn 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 aus
dem Speicher entnommen werden. irl
Weiterhin wird es als vorteilhaft angesehen, d'\s Ausgangssignal 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 4n
nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch einen multiplizierenden Digital-Analog-Wandler mit
einem analogen Eingang für Referenzsignale und einem digitalen Eingang für umzuwandelnde Dgital-Signale,
wobei dem analogen Eingang das Meßsignal und dem 4^
digitalen Eingang digitale Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte mit bestimmter Phasenlage zugeführt werden,
einen digitalen Speicher für die Bezugswerte sowie einen von einem Bezugssignal-Geber gesteuerten
Binärzähler für die Adressierung und Fortschaltung des digitalen Speichers. Durch diese Schaltungsanordnung
kann die Verknüpfung zwischen Meßsignal 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 Inverterschaltung 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 Zählerstellun- b5
gen 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
mn Sinus-Bezugswerten durch eine Phasenverschiebung um rr/2 die Kosinus-Werte zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel vereinfacht und schematisch dargestellt
und an Hand der Schaltungsanordnungen naher erläuterL 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 zeigt
F i g. 1 die Schaltungsanordnung an einer Auswuchtvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens,
Fig. 2 Schaltungsanordnung zur Verknüpfung von Meßsignal und Bezugssignalen.
In Fig. 1 sind nur die für die Erfindung wesentlichen
Teile der Schaltung einer Auswuchtvorrichtung dargestellt. Mit der Schaltungsanordnung soll die X- und die
^Komponente der (Jnwuch(schwingung in einem
rechtwinkligen Koordinatensystem (Bezugssystem) in einer Auswuchtebene ermittelt werden.
Em Meßsignal-Aufnehmer 1 bekannter An. /. 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 rr it 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 lmpulftörmigen 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.
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 F i g. 2 näher beschrieben wird. Am Ausgang der Einrichtung 5 liegen zwei analoge Spannungen 6 und 7
vor, aus denen in bekannter Weise nach Integration in einer Integrations-Einrichtung 8, die X- und y-Komponenten
9 und 10 der gesuchten umlauffrequenten Unwuehtschwingung 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
Wi
j
j
erläutert werden. Ein D/A-Wandler hat die Aufgabe, ein
digital vorliegendes Signal N in eine analoge Größe Uamiog umzuwandeln. Dies geschieht zum Beispiel
entsprechend der Beziehung:
U:,n:,hg=
N,
wobei Λ/als reine Binärzahl mit η Bit-Umfang vorliegen
möge. Ucai ist eine analoge Referenzspannung, die bei
einem D/A-Wandler den Größtwert der Ausgangsspannung Uamiog festlegt. Eine Abwandlung des D/A-Wandlers
liegt vor, wenn die analoge Referenzspannung Uc;,i
veränderlich ist. D/A-Wandler mit veränderlicher Referenzspannung werden bevorzugt auf dem Gebiet
der Zeichenerzeugung auf Sichtschirmen eingesetzt. Solchen 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 A D 7520.
In F i g. 2 ist die Einrichtung 5 aus F i g. 1 mit weiteren
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 mil dem
analogen Signal verarbeitet wird.
Die Einrichtung 5 besteht aus zwei praktisch identischen Schaltungsanordnungen 5a und Sb. Die
Schaltung 5a dient zur Ermittlung der X-Komponente und die Schaltung 5b zur Ermittlung der y-Komponente
der Unwuchtschwingung.
Der Bezugssignal-Geber 3 liefert bei jeder Umdrehung des auszuwuchtenen Körpers zunächst einen
Start- oder Setzimpuls 4a, der auf den Rücksetzeingang 5 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-lmpulsen, die auf den
Zähleingang des Binärzählers 20 gegeben werden. Der Binärzähler hat eine Kapazität von 2"'*'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 2"' verschiedenen
Adressen. Die Adressen des Digitalspeichers 21 wi-i den inii eiiici urn den Faktor 2~ '' höheren Frequenz
als die interessierende Frequenz der Unwuchtschwingung fortgeschaltet. Dies bedeutet, daß der Digitalspeicher
bei jeder Umdrehung bzw. bei jeder Schwingungsperiode zweimal durchlaufen wird. Der Bezugssignal-Geber
muß also bei jeder Umdrehung bzw. für jede Periode des Bezugssignals doppelt so viele Zähl-lmpulse
abgeben als Speicherplätze vorhanden sind Seine Pulsrate F11 ist gegeben durch:
/J = 2m*1 ■ ω/2 π.
wenn ω die Kreisfrequenz der Unwuchtschwingung 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 0-18CT enthält. Sem Inhalt unter der
Adresse Nr 1 ist also gleich sin 0 und unter der Adresse
(p+\) gleich sin (p ■ 180° 12"% wobei (p+ 1)
< Anzahl der Speicherplätze 2'". Durch die angegebene Abstimmung der Impulszahl pro Umdrehung mit der Anzahl
der Speicherplätze und die angegebene Programmie-
■> rung 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 Schallungsanordnung 5b über einen weiteren binären
in 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.
Ii 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
:n eine Start- oder Ausgangsposition gesetzt, die einem
Phasenwinkel von π/2 entspricht. Falls erforderlich, können auch beliebige andere Phasenwinkel über den
Setzeingang vorgegeben werden, z. B. zur Ermittlung der Unwucht-Komponenten in einem schiefwinkligen
2ri Koordinatensystem.
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.
in 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.
s> Ein solcher Wandler ist auch in der Schaltungsanordnung
5b vorhanden. Das Meßsignal 2 wird auf den analogen Referenzspannungs-Eingang t/i;); des Wandlers
gelegt. Im D/A-Wandler 22 findet nun eine multiplikative Verknüpfung zwischen dem Meßsignal 2
4Ii und dem jetzt in Form von digitalen Sinus- oder
Kosinus·Werten vorliegenden Bezugssignal 4a statt. Am Ausgang 1)αηαι,ψ des Wandlers liegt danach eine
analoge Spannung an. die das Produkt aus dem Meßsignal und den Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerten
4> darstellt
Da eine digitale Zahl immer als Betrag vorliegt, werden den D/A-Wandlern nur positive Werte des
Bc7ugssignals 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 — 27CT invertiert wird. Dies geschieht in der
Schaltungsanordnung 5a dadurch, daß das Signal durch
>i eine Inverterschaltung 23 dann umgeschaltet wird, wenn
das höchstwertige Bit Qn, 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
mi Zählerstand vorliegt.
Am Ausgang der Schaltungsanordnungen 5a und 5b liegen jetzt analoge Ausgangsspannungen 6 und 7 (Hj1n)
an. die in bekannter Weise weiterverarbeitet werden können. Durch Integration der analogen Spannungen in
r>"> der Integrations-Einrichtung 8 wird aus der Schaltung
5a die X- Komponente der Unwuchtschwingung als Spannung 9 und aus der Schaltung 5b die V- Komponen
te als Spannung 10 ermittelt und auf den Anzeigcgera
ten 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.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:5. Verfahren zur Ermittlung der Vektor-Komponenten einer Schwingung (z. B. in einem rcchrwinkli- ί gen oder polaren Koordinatensystem), die in Form eines mit Störsignalen behafteten elektrischen Meßsignals (Schwingungsgemisch) vorliegt, mit Hilfe eines elektrischen Bezugssignals, das einen zur Koinponentenermittlung geeigneten sinus- bzw. ι ο kosinusförmigen Verlauf aufweist und der zu ermittelnden Schwingung frequenzgleich ist, wobei das Meßsignal mit dem Bezugssignal multipliziert wird und die entstehenden Produkte weiter verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, ü daß das Meßsignal (2) als analoges Signal dem Referenzspannungs-Eingang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers (D/A-Wandler) (22) zugeführt wird, daß das Bezugssignal (4, 4a) in digitale Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte umge- 2» wandelt wird, daß die Bezugswerte dem digitalen Eingang des D/A-Wandlers (22) zugeführt werden und daß die am Ausgang des D/A-Wandlers (22) anliegenden Analog-Signale (6, 7) zur Komponentenermittlung verarbeitet werden. 2ϊ2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die digitalen Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte unter Steuerung durch das Bezugssignal einem Speicher (21) entnommen werden.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn- i<> zeichnet, 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 n Adressenzähler dienenden Binärzähler (20) gesteuert wird.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler (20) den Speicher (21) so fortschaltet, daß der Speicher während einer ίπ Periode der zu ermittelnden Schwingung mehrmals durchlaufen wird.6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorgabe von festen Adressen (Zählerständen) im Binärzähler (20) jeweils bei 4r> Zählbeginn eine beliebige Phasenlage der Bezugswerte erzeugt wird.7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, aaß das Ausgangssignal des D/A-Wandlers (22) in Abhängigkeit vom Stand des Adressenzählers ^o (2) invertiert wird.8. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen multiplizierenden Digital-Analog-Wandler (22) mit einem analogen Eingang (Uiai) für 5r> Referenzsignale und einem digitalen Eingang, wobei dem analogen Eingang das Meßsignal (2) und dem digitalen Eingang Sinus- bzw. Kosinus-Bezugswerte mit bestimmter Phasenlage zugeführt werden, einen digitalen Speicher (21) für die Bezugswerte sowie einen von einem Bezugssignal-Geber (33) gesteuerten Binärzähler (20) für die Adressierung und Fortschaltung des digitalen Speichers (21).9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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 aufweist10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binärzähler (20) als Vorwahlzähler ausgebildet und auf beliebige Zählstellungen einstellbar ist.11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurcn gekennzeichnet, daß zur Ermittlung jeder der beiden Vektor-Komponenten eine eigene Schaltungsanordnung (5a, Sb) vorgesehen ist
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