DE2715464A1

DE2715464A1 - Einrichtung zur beobachtung der lastverhaeltnisse eines induktionsmotors

Info

Publication number: DE2715464A1
Application number: DE19772715464
Authority: DE
Inventors: Robert Francis Dumbeck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-12
Filing date: 1977-04-06
Publication date: 1977-10-20
Also published as: JPS52132320A; US4141244A; CH617771A5; CA1078016A; BE853466A; US4101831A; DE2715464C2; GB1572850A

Description

DIPL-ING. KLAU!"! B¹E¹HN DIPL-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER

PATENTANWÄLTE

WIDENMAYERSTRASSE 6 DSOOO MÜNCHEN TEL (088) 11 25 30 19 51

2715434

^r 6. April 1977

A 9277 Ml/ib

Herr Robert F. DUMBECK, 404 North Main, P.O. Box Elgin, Texas 78621, USA

Einrichtung zur Beobachtung der Lastverhältnisse eines

Induktionsmotors

Sankhiu· Merck. Flnck & Co. Mönchen. Nr 25

7098A2/0900

in. Nr. 2613OO Poetecheck München 2ΟΘΟ4 ΘΟΟ

2715454

Zur überwachung der Lastverhältnisse eines Induktionsmotors sind zahlreiche Versuche unternommen worden, bei denen Rückschlüsse auf die Lastverhältnisse aus dem Motorstrom gewonnen werden. Dieser Parameter schwankt jedoch beträchtlich mit Schwankungen der umgebungstemperatur. Im allgemeinen sind die Veränderungen der Stromgröße mit der Last nicht linear über einen größeren Lastschwankungsbereich, so daß es schwierig wird, den Stromwert für eine präzise Aussage über die Lastverhältnisse heranzuziehen. Darüberhinaus liegen erheblich unterschiedliche Bedingungen für die Stromwerte bei Motoren unterschiedlicher Größe vor, so daß für verschiedene Motorgrößen spezielle Schaltungsbildmessungen erforderlich werden. Andererseits ist es bekannt, daß der Motorschlupf eine gute Anzeige für die Lastbedingungen des Motors darstellt, die praktisch über einen weiten Lastbereich linear abhängig ist, und dennoch wurde dieser Parameter bisher nicht für eine einfache Lastüberwachung ausgenutzt. So werden bisher komplexe und teure elektronische Zeitmeß- und Zählschaltungen mit Präzisionsoszillatoren eingesetzt, die Temperaturkonstanthaltung und sonstige Präzisionseinrichtungen benötigen, um die kleine Schlupfdrehzahl von etwa 30 bei der hohen Synchrondrehzahl von beispielsweise 1/min feststellen.

Allgemeines Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, jedoch genau arbeitende elektronische Schaltung zu verwenden, mit der die Belastung eines Induktionsmotors überprüft werden kann. Genauer . gesagt ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,

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mit der der Schlupf des Induktionsmotors beobachtet und festgestellt werden kann. Mit der Erfindung wird weiter angestrebt, eine vielseitige Motorlastüberwachungseinrichtung zu schaffen, die in allen Anwendungsfällen unter verschiedenen Umgebungstemperaturbedingungen arbeitet und die keine bedeutenden Verdrahtungsveränderungen erforderlich macht. Darüberhinaus soll die erfindungsgemäße Einrichtung von Größenunterschieden der Motoren unabhängig sein.

Mit der Erfindung wird ein einfaches Motorzubehör geschaffen, das ohne Eingriff in die Motorverdrahtung installiert werden kann und unter verschiedensten Umgebungsbedingungen das Feststellen der MO-torlastbedingungen ermöglicht und daraus eine Kontrolle und Steuerung der vom Motor betätigten Einrichtungen. Die Lastbedingungen werden unter Ausnutzung der nahezu linearen Abhängigkeit zwischen dem Schlupf des Motors und der Belastung festgestellt, die bei einem Induktionsmotor herrscht, wobei der Schlupf als Meßgröße verwendet wird. Die Zeit, die für jede Wellenumdrehung nötig ist, wird folglich mit der Dauer einer Rechteckwelle eines elektronischen Standardmultivibrators verglichen, und zwar entweder in digitaler Version oder als Schwellwertpotential in einer analogen Version, um die Größe des augenblicklich herrschenden Schlupfes festzustellen und damit die Lastbedingungen des Motors. Die Einrichtung ist mit Ausnahme eines magnetischen Sensors, der in der Nähe der Motorwelle installiert wird, um bei deren Drehung Triggerimpulse abzunehmen, in sich abgeschlossen. Die Motorbelastung wird mit Hilfe der Bewegung eines Anzeigeinstuments in analoger Weise angezeigt. Außerdem lassen sich Schwellwertausgangssignale dazu verwenden, elektronische oder Relaissteuerschaltkreise bei wählbaren, unterschiedlichen Lastbedingungen zu betätigen.

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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein vereinfachtes Blockschaltbild der Beobachtungseinrichtung für die Motorlast gemäß der Erfindung;

Fig. 2: Impuls-Zeit-Diagramme zur Erläuterung des Wirkungsprinzips der bei der Erfindung verwendeten digitalen Spannungsvergleichskreise ;

Fig. 3: eine Kurvendarstellung der Abhängigkeit zwischen Motorlast und Schlupf, wie sie für die Erfindung ausgenutzt wird;

Fig. 4: ein stärker ins einzelne gehendes Blockschaltbild der Motorlastbeobachtungsvorrichtung mit Steuerschaltkreisen;

Fig. 5: ein Schemaschaltbild einer bevorzugten Digitaleinrichtung, bestehend aus den beiden Figurenteilen 5a und 5b;

Fig. 6: das Blockschaltbild einer bevorzugten Analogausführungsform;

Fig. 7: ein Systemdiagramm zur Darstellung der Wirkungsprinzipien der ERfindung;

Fig. 8: das Blockschaltbild einer bevorzugten elektrischen Schaltkreisausführung der Erfindung;

Fig. 9: ein schematisches Schaltbild einer Ausgangssteuerschaltung ; und

Fig.10: eine andere Ausführungsform einer derartigen Steuerschaltung.

In der Fig. 1 ist eine Motorwelle 10 dargestellt, die sich in der durch Pfeil angedeuteten Richtung dreht und einen ferromag-

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netischen Vorsprung 11 trägt, der durch seine Annäherung an einen Detektor 12 bei jeder Umdrehung der Welle eine Wirkung hervorruft, die durch aufeinanderfolgende Impulse 13 die Drehzahl des Motors anzeigt. Die vom Detektor hervorgerufenen Impulse werden in einem Impulsformerkreis 14 so gestaltet, daß sie als Triggerimpulse in einer Steuergategeneratorschaltung 15 verwendet werden können, die an ihrem Ausgang eine Impulswellenform 16 hat.

Wie genauer aus den Wellenformen in der Fig. 2 zu sehen ist, ist der Generator mit gesteuertem Gate im wesentlichen ein monostabiler Multivibrator zur Erzeugung einer Rechteckwelle. Jeder Trig— gerimpuls 17 erzeugt folglich einen Rechteckimpuls 18 mit einer Impulsdauer J von einer bestimmten Grundzeitspanne wie etwa 30,883 msec, die kürzer als die normale Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen ist. Für die Bestimmung der Zeitdauer des Rechtimpulses 18 kann die Motorcharakteristik eines speziellen Kurzschlußläufer-Induktionsmotors herangezogen werden, wie sie die Fig. 3 zeigt. Bei einer Motorwellendrehzahl von 1 800 1/min. als synchroner Drehzahl erhält man für den Leerlauf eine Drehzahl von 17 999 1/min. und damit eine Schlupfdrehzahl von 1 1/min. Bei Vollast ergibt sich mit einer Schlupfdrehzahl von 36 1/min. eine Wellendrehzahl von 1 764 1/min. Somit erhält man bei Vollastdrehzahl für eine Wellenumdrehung 34,383 msec, was in der Fig. 2 mit der Zeitspanne T zwischen aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen 17 eingetragen ist.

Für Vollast wird nun die durch die ins positive gehende Flanke des Steuerimpulses 19 bestimmte Dauer t des Rechteckimpulses auf beispielsweise 3,5 msec, festgelegt. Somit ist die Dauer J des

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Rechteckimpulses 18 die Differenz, nämlich 30,883 msec. Da für die Impulsdauer des Impulses 18 eine feste Zeitspanne vorgesehen wird, ändert sich die Impulsbreite B des Impulses 19 abhängig von der Motorlast im wesentlichen linear, was aus der Kurve 20 in Fig. 3 im Bereich zwischen 10% und 110% der Last ersichtlich , ist. Zum Vergleich ist der Motorstrom mit der Kurve 21 in die Dar stellung eingetragen, woraus ersichtlich ist, daß das Verhalten des Schlupfes in besserem Maße linear ist als das des Stroms. Da- rüberhinaus kommt noch zur Wirkung, daß keinerlei Eingriff in den elektrischen Schaltkreis des Motors vorgenommen werden muß, der Sensor 12 vielmehr in den Motorstromkreis nicht eingreift.

Wenn die Belastung den Nennwert übersteigt und z.B. 125% annimmt, dann ändert sich die Gestalt des Impulses 19, wie dies durch die Kurve 16' in Fig. 2 angedeutet ist, da infolge der Vergrößerung des Schlupfes die Triggerimpulse weiter auseinanderliegen. Die Wellenform B¹ hat deshalb eine längere Dauer. Bei geringerer Last, z.B. 75% der Nennlast, hat die Impulswellenform B¹' dagegen eine Dauer von weniger als 3,5 ms. Es ergibt sich also bei einem Wir belstromkäfigläufermotor von der Art, welcher die Drehzahl-Last- Kurve aus Fig. 3 aufweist, eine praktisch lineare Proportionalität zwischen der Dauer t des B-Impulses 19, der vom Steuergate generator 15 abgegeben wird, nach folgender Aufstellung:

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Last in % der Nennlast B-Impulsdauer (ms)

75 3,235

80 3,288

85 3,341

90 3,394

95 3,447

100 3,500

105 3,553

110 3,606

115 3,659

120 3,706

125 3,733

Man kann feststellen, daß gegen höhere Lastwerte zu die Linearität streng nicht mehr gewahrt ist, was auch der Kurve 2 0 in der Fig. 3 zu entnehmen ist.

Mit dem Filterkreis 22 in Fig. 1 können die B-Signale der Impulse 19 in einen Gleichstrompegel umgewandelt werden, mit dem dann der Zeiger eines Gleichstrominstrumentes 23 verstellt werden kann, was als sichtbare Anzeige der Motorbelastung in % der Nennlast dient.

Für eine digitale Anzeige der Last und zur Betätigung von Warnsignalen, die zur Steuerung der Lasteinrichtungen oder eines sonstigen Steuersystems verwendet werden können, kann der Flip-Flop 30 mit Hilfe der Signalimpulse 19 gesteuert werden. Eine nach Belieben einstellbare Grenzwertwarneinrichtung kann mit Hilfe einer Einstellvorrichtung an einem Bezugswarngatpgenerator 32 einreguliert werden. Damit werden positive und negative Rechteckimpulsketten 33 und 34 mit bestimmter Impulsdauer als Ausgangssignale eines monostabilen Multivibrators abgegeben, der durch die

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voranlaufenden Flanken der B-Impulse 19 synchronisiert wird.

Eine Verzögerungsschaltung 35 sorgt für eine geringfügige Verzögerung von etwa 40 ns und erzeugt verzögerte B-Impulse 19 von positiver und negativer Polarität (19A und 19B). Vergleichskreise wie die UND-Schaltkreise 36 und 37 können deshalb die

wer.de η negativen und positiven Impulse dazu verwendet^Warn-Flip-Flops

30 in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Impulsdauerzeiten der einkommenden REchtimpulssignale zu setzen oder zu löschen.

Wenn angenommen wird, daß eine bestimmte überlastung von beispielsweise 110% als Grenzeinstellung an der Einstelleinrichtung

31 ausgewählt ist, so werden dadurch bei Erreichen dieser Grenze Bezugsimpulse 33,34 mit einer Zeitdauer von 4,1 ms erzeugt. Diese Impulse sind zeitlich synchronisiert mit dem Auftreten der D-Impulskette 19. Immer, wenn ein B-Impuls 19 vom Steuergategenerator länger als der Impuls 34 des Warnungsgates ist, erzeugt die UND-Schaltung 36 einen Triggerimpuls, durch den das Warnungs-Flip-Plop 33 gesetzt wird, welches dann dafür sorgt, daß auf der Ausgangsleitung 40 ein Alarm-signal auftritt. Ist dagegen der Steuergateimpuls 19 kürzer als der Warngateimpuls 33, dann löscht das UND-Gatter 37 das Warnungs-Flip-Flop, womit angezeigt wird, daß der Motor nicht über die Uberlastgrenze hinaus, die an der Einstellung 31 vorgegeben ist, belastet ist.

Eine weitergehende Schaltungsbestückung zeigt die Fig. 4. Die Teile, die in derselben Weise arbeiten, wie dies bisher bereits anhand der vorhergehenden Figuren beschrieben ist, haben darin gleiche Bezugszeichen, wobei durch einen Strich an den Bezugszeichen eine geringfügige Abwandlung angedeutet wird und das Versehen mit

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einem Buchstaben am Bezugszeichen eine Verdoppelung der Schaltung zum Ausdruck bringt. Die Grundfunktion der Schaltung der Fig. ist mithin derjenigen der Fig. 1 ähnlich. Ein Temperaturkompensationsnetzwerk 42 verhindert, daß die Dauer der Steuergateimpulse mit Schwankungen der Umgebungstemperatur in einem weiten Anwendungsbereich sich ändert. Ein Zeitverzögerungskreis 43 hält die Vergleichsschaltkreise 36 und 37 unwirksam, bis der Motor auf seinen stationären Zustand hochgelaufen ist, nachdem er eingeschaltet wurde, und verhindert außerdem über einen Gatekreis 45, daß ein Alarmzustand an den Flip-Flops 30 gelöscht wird, bevor eine Aufwärmzeitspanne vorüber ist, die an der Zeitverzögerungseinrichtung 43 eingestellt ist.

Eine Transistorschaltung 44 besitzt einen Leistungsausgang zur Betätigung von Relais oder zur Verwendung in weiteren Steuerfunktionen des Systems. In dem Schaltkreis des Analoganzeigeinstruments verhindert ein Steuergate 46 die Abgabe eines Analogausgangs, wenn dadurch eine Alarmbedingung geschaffen wird. In einem Filter 22' kann eine Bereichseinstellung vorgenommen werden, während ein Schaltkreis 47 für eine Nullpunkteinstellung sorgt, wobei diese Einstelleinrichtung auf Verstärker 48 und 49 für das Anzeigeinstrument 23 einwirkt. Die Wirkungsweise dieser Schaltung soll anhand der Fig. 5 durchgesprochen werden, in der die gleichen Bezugszeichen verwendet sind wie im Blockschaltbild der Fig. 4.

Der Fühler 12 ist ein Hallgenerator etwa der Type Airpax Mini 40004 oder ein gleichwirkender Fühler, der entweder mit einer Ausnehmung oder einem Vorsprung an der Motorwelle arbeitet, um

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dadurch einen positiven oder negativen Impuls zu erzeugen. Mit Hilfe eines Kondensators 51 wird dieser Impuls einem Verstärker mit hohem Verstärkungsfaktor 14 zugeleitet, in welchem der Triggerimpuls in einen Rechteckimpuls umgesetzt wird. Das Widerstandsnetzwerk, mit dem die Vorspannung erzeugt wird, enthält auch den Abstimmwiderstand 52. Die Verstärker 14 stellen eine mit hoher Eingangsimpedanz versehene, temperaturkompensierte Eingangsstufe für einen monostabilen Multivibrator 15 dar, der als integrierte Schaltung aufgebaut sein kann. Dieser Vibrator wird von der einmal pro Wellenumdrehung auftretenden ansteigenden oder abfallenden Impulsflanke ausgelöst. Der RC-Zeitsteuerkreis weist einen Abstimmwiderstand 53 auf, mit dem die Dauer J eingestellt werden kann, und das Diodennetzwerk 54 zur Temperaturkompensation ist so ausgewählt, daß es bei 1 735 1/min. bei dem oben beschriebenen Beispiel einen Spannungsabfall hervorruft, der bei Temperaturanstieg ein Abfallen des Stroms in den Multivibrator zur Folge hat. Dadurch werden Fehler in der Impulsdauerabnahme bei steigender Temperatur vermieden, was anderenfalls auftreten könnte. Die Verzögerungsschaltung 35 kann eine integrierte Schaltung mit sechs invertierenden Pufferverstärkern sein, die eine Verzögerung von 6,6 ns für eine Gesamtverzögerung von 40 ns aufweisen und von denen invertierte Ausgangswerte an ihren Leitungen 55 und 56 abgegeben werden.

Die Verzögerungsschaltung 4 3 gibt dem Motor Gelegenheit, warm zu werden oder in stationären Zustand zu kommen. Eine typische Verzögerungszeit ist dabei 20 see., doch läßt sich mit dem Widerstand 57 als Grobeinstellung zwischen 0 und 10 ΜΩ. bis zu 220 see. eine Einstellung vornehmen, während der Widerstand 58 zur Feineinstel-

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lung von 1 bis 20 sec. dient, um eine genau gewünschte RC-Verzögerungszeit zu erzeugen. Typischerweise wird die Spannung an der Klemme 59 erzeugt, wenn der Motor in Gang gesetzt wird. Eine Diode 60 dient dazu, den Kondensator 61 schnell zu entladen, wenn die Spannung abgeschaltet wird. Die Diode 62 gibt eine positive Rückkopplung, wodurch eine schnelle, schwingungsfreie Schaltung erreicht wird, um auf der Ausgangsleitung 63 am Ende der Zeitspanne eine Spannung anstehen zu haben, um die Gates zu aktivieren, mit denen die Diode in Verbindung steht.

Monostabile Multivibratoren 32 und 32A arbeiten in gleicher Weise und können integrierte Schaltungen sein. Ein RC-Zeitsteuernetzwerk 31 besitzt einen Einstellwiderstand 64, mit dem die Zeitdauer des Ausgangsimpulses für die obengenannten Zwecke eingestellt werden kann. Der damit auswählbare Bereich ist 75% bis 105% der Last, bezogen auf die Nennlast unter Betriebsbedingung. Bei einem Übergang von LO auf HI an allen Eingangsleitungen werden Warn-UND-Gatter 36 (und 36A usw.) geöffnet und müssen folglich das zeitverzögerte Ausgangssignal 43 für ihre Aktivierung abwarten. Das Steuerausgangssignal des monostabilen Multivibrators 15 wird mit dem Warnimpuls des monostabilen Mulitvibrators 32 im Gatter 36 verglichen. Dadurch wird der Warn-Multivibrator 32 von einem übergang von low nach high des Steuerausgangsimpulses auf der Leitung 70 getriggert und ruft an den Ausgangsleitungen 71 und 72 den zeitgesteuerten Rechteckimpulsausgangswert mit entgegengesetzten Polaritäten hervor. Der von high nach low gehende Ausgangsimpuls tritt an der Leitung 72 auf und wird vom Vergleichs-UND-Gatter 37 weitergeleitet, um das Flip-Fxop 30 zu löschen. Der von low nach high gehende Ausgang auf der Leitung 71 wird dagegen vom

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Vergleichs-UND-Gatter 36 zum Setzen des Flip-Flop 30 geleitet.

Die UND-Gatter 36 usw. können NAND-Gatter sein, wie sie in integrierten Schaltungen CD4012AD enthalten sind. Wenn der Steuerimpuls vom monostabilen Multivibratorschaltkreis 15 eine längere Dauer hat als der Warnimpuls vom Multivibrator 32 Und die Zeitverzögerung 43 hoch ist), dann wird das Flip-Flop 30 gesetzt, so daß vom Relais 75 im Transistorschaltkreis 44 ein Alarmzustand angezeigt wird.

Das UND-Gatter 37 löscht das Flip-Flop 30, wenn der Steuermulti- vibrator 15 eine Impulsdauer hat, die kürzer als die des Warnmul- tivibrators 32 ist, wenn dieser verzögert und invertiert auf der Leitung 55 auftritt. Damit befindet sich Flip-Flop 30 während der gesamten Überlastungsdauer im gesetzten Zustand, wobei die überlastung an der Einstellung 64 gewählt wird, und das Flip-Flop wird gelöscht, wenn der Lastzustand wieder unter den gewählten Grenzwert absinkt. Verstärker-Inverter-Schaltungen 77 und der gleichen, wie zwei Eingangs-UND-Gatter 78, können innerhalb der integrierten Schaltung CD4011AE enthalten sein. Das UND-Gatter 78 wirkt so, daß das Flip-Flop 30 nicht eher gelöscht werden kann, als bis die Verzögerungszeit, die bei 43 eingestellt ist, vorüber ist, nachdem der Motor das erstemal eingeschaltet wurde.

Das Einstellnetzwerk 31A des Warnungsmultivibrators 32A arbeitet in ähnlicher Weise, dient jedoch der Einstellung zwischen 105 und 125% der Last bezogen auf Nennlast, was mit Hilfe des Stellwiderstandes 64A eingestellt wird, und wenn die Last diesen eingestellten Wert übersteigt, sorgt das UND-Gatter 36^dafür, daß das

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Flip-Flop 3OA gesetzt wird und daß über den Transistor 44A das Relais 80 betätigt und die Schaltung 50 automatisch gelöscht werden.

Die Flip-Flop-Schaltung 30 kann in einer integrierten Schaltung CD4013AE enthalten sein, die als verriegelnde Setz-Lösch-Flip-Flop-Schaltung geschaltet sein kann. Die Kondensatoren 85 und 85A bilden ein Eingangsfilter.

Nach Belieben ist die automatische Löschschaltung 50 eingefügt mit einem RC-Netzwerk 90, mit dem die Löschzeit und die Zyklusfolge hervorgerufen wird. Die Diode 91 schafft ein Schnellschaltnetzwerk für Invertierverstärker 92, und die Invertierverstärker 93 dienen als Gatepuffer für den Betrieb des Transistors 44A.

Das analoge Steuer-UND-Gate 46 wird von der Löschverbindung 94 vom Alarm-Flip-Flop 3OA betrieben, so daß, wenn zum Sperren des Schaltkreises kein Alarm vorhanden ist, die Meßeinrichtung 23 die Impulsbreite (t) des Steuerimpulses auf der Leitung 70 liest, der im RC-Integriernetzwerk 22' gemittelt ist. Die Zeitkonstante beträgt annähernd 10 ms. Das Potentiometer 95 dient als Vorspanneinstellwiderstand zum Instrumentenverstärkerschaltkreis.Das Potentiometer 96 dient in ähnlicher Weise als Nullpunkteinstellung für das Instrument, und die beiden Potentiometer sind mit gleichen Temperaturkoeffizienten gewählt, so daß sie über den Betriebstemperaturbereich gleiche Verhalten zeigen.

Das Instrument 23 ist ein 1-mA-Spannbandinstrument, dem von den beiden Differentialverstärkern 48 und 49 der Strom zugeführt wird,

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welche gleiche Verstärkungsfaktoren von 1,96 haben, was mit Hilfe des Widerstandsnetzwerks eingestellt wird. Ein Dioden-Widerstandsnetzwerk 98 dient zur Temperaturkompensation für den ganzen Analogabschnitt und die Instrumentenanzeige. Ein Kondensator 99 filtert den Rückkopplungszweig des Verstärkers 48.

Die Fig. 6 zeigt in Blockdiagrammform eine einfachere Ausführung der Analog-Schaltungseinrichtung, die nach demselben Grundpinzip arbeitet und einige der Elemente verwendet, die auch bei den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 benutzt werden. Des einfacheren Verständnisses wegen haben Teile, die in gleicher Weise wirken, dieselben Bezugszeichen behalten.

Grundsätzlich werden die B-Signalimpulse mit sich ändernder Impulslänge im Filterkreis 92' umgewandelt in ein Gleichspannungssignal, das die Motorbelastung angibt und das auf der Leitung 110 auftritt, wobei die Signalhöhe abhängig von der Länge der einzelnen Signalimpulse ist. Dieses Gleichspannungssignal ist dasselbe wie das, was das Instrument 23 in Fig. 4 zum Ausschlagen bringt.

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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Instrument 23 über einen Verstärker 111 und einen Puffer 112 mittels eines Gatelockout-Netzwerks 46 gespeist. Die Nulleinstellung des Instrumentes wird mit Hilfe einer Nulleinstellvorrichtung 47' als Eingang zum Differentialverstärker 111 vorgenommen. Somit wird ein Lastsignalpegel abgeleitet und eingestellt in der Schaltung 22', und die Nullpegeleinstellung ist in der Schaltung 47' verfügbar. Der sich darausergebende Spannungspegel auf der Leitung 120 hat vorzugsweise einen Spannungsausschlag von 1 bis 10 Volt, was von den Steuergate-B-Impulsen 19 erhalten wird. Die Analogvergleichskreise 136 und geben eine Ausgangsspannung ab, um nachgeschaltete UND-Schaltkreise 236 und 237 zu betätigen, wenn sie vom Zeitverzögerungskreis 43 geöffnet sind, sobald der Signalspannungspegel denjenigen von variabel ausgewählten Eingangsschwellwerten übersteigt, der in den

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AlarmschaltungO32 und 132a gewählt ist, wobei die Einstellmaßnahme mit einer Pfeilspitze an der Schwellwertleitung 232 und 232a angezeigt ist, so daß eine Schwellwertvergleichsspannung im Bereich zwischen 1 und 10 Volt an jedem der beiden Komparatoren 136 und zur Verfügung steht. Eine Grobeinstellung der Schwellwertbereiche kann am Schaltkreis 232 vorgenommen werden,die eine geeignete Eingangsquelle für ein Gleichspannungspotentxal tiufweist. Die Vergleichsschaltungen 136 und 137 erzeugen im Betrieb ein Signal an den Transistorausgangskreisen 44 und 44a, sobald die Motorlast einen vorbestimmten Wert übersteigt, der durch die Schwellwertspannungseinstellungen in den Schaltungen 132,132a und' 232 vorgegeben wird. Dieses analoge Ausgangssignal wird als Gatesignal verwendet, das

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zur Steuerung verschiedener angeschlossener Nutzkreise benützt wird, in dem beispielsweise Relais betätigt werden und dergleichen.

Das Prinzip der Erfindung wird an einem weiteren allgemeinen Bei spiel anhand der Fig. 7 erläutert. Die Antriebsvorrichtung 125 kann eine Maschine oder ein Motor (nicht synchron laufend) sein, deren Geschwindigkeit von der Last abhängig ist. Die Geschwindigkeit wird als Funktion der Drehung einer Welle 126 festgestellt, beispielsweise mit Hilfe eines Drehdetektors 127 der oben beschriebenen Art, um damit Ausgangsimpulse 128, im vorliegenden Fall elektronische Signale, zu erzeugen.

Solche Ausgangsimpulse 128 bestehen aus einer Kette einzelner Impulse mit dazwischenliegenden Impulsabständen oder, anders ausgedrückt, aus einer Impulsfolge mit einer Impulsfolgefrequenz, welche eine Funktion der Drehzahl der Welle 126 ist. Die Impulse werden mit der Schaltungseinrichtung 129 weiterverarbeitet, woraus ein Ausgangssignal gewonnen wird, das abhängig ist von der Antriebsgeschwindigkeit und das vorzugsweise als Spannung oder Strom vorliegt.

Die Ausgangsanzeige kann ein sichtbar anzeigendes Instrument 130 sein mit einer Skala, die unmittelbar in Geschwindigkeit, Belastung und dergleichen geeicht ist. Eine andere Form kann eine Warnanzeige oder ein Geschwindigkeitsänderungsdetektor 131 sein, der so geeicht ist, daß er abhängig von einer vorgegebenen Veränderung der Normalgeschwindigkeit anspricht. Es ist z.B. möglich, dafür ein relaisartiges Instrument zu verwenden. Im einfachsten Fall, wo keine hohe

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Genauigkeit des Instruments 130 gefordert wird, können die Impulse der Kette einfach mit einer RC-Schaltung integriert werden, wobei die Impulse zuvor nach Form and Amplitude durch eine Impulsbearbeitungseinrichtung 129 standardisiert werden. Die Ablesung am Instrument ist dann abhängig von der Impulsfolgerate, woraus die Geschwindigkeit der Antriebseinrichtung 125 ablesbar wäre. Die Belastung an der Antriebsvorrichtung 125 ist in der Fig. 7 als irgendeine Arbeitsmaschine 140 dargestellt₍wie etwa eine Teigrührmaschine oder dergleichen mit einer Welle 141 und einem Arm 142, der über ein Untersetzungsgetriebe 145 vom Motor 125 angetrieben wird. Wegen der Verwendung des Untersetzungsgetriebes, das beispielsweise eine Drehzahluntersetzung von 20 000/1 haben kann, ist die Antriebseinrichtung besonders empfindlich gegen überlastung. So kann z.B. ein 1/2 PS Induktionsmotor bei Vollast mit 1725 1 pro Minute in einer Kläranlage einen Schlammrührer in einem Behälter mit 15,24m Durchmesser antreiben, wobei die Belastung durch den Schlamm im Mittel 7 Pfund pro Fuß ist und der Antrieb über das Getriebe 145 mit einem Gesamtwirkungsgrad von 60% erfolgt. Eine Überlastung am Rührarm 142 würde unter solchen Bedingungen eine beträchtliche Steigung der Motorbelastung mit sich bringen, was leicht dazu verwendet werden kann, einen Alarm mit Hilfe des Detektors 131 auszulösen oder eine Anzeige am Instrument 130 hervorzurufen oder eine entsprechende schreibende Aufzeichnung, in der die laufenden Lastbedingungen festgehalten werden.

Es wurde bereits dargelegt, wie auf dem Instrument in linearer Abhängigkeit von der Last am Motor der Maßstabsfaktor bestimmbar ist

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mit Hilfe der Darstellung der Fig. 3, wenn eine direkte Beziehung zum Schlupf des Induktionsmotors besteht. Es ist aber auch möglich, die Anzeige unmittelbar in Größen der Leistung (PS) vorzunehmen. Dafür zeigt eine einfache Rechnung, wie eine lineare Instrumentenskala eine unmittelbare Ablesung in PS geben kann, wobei bildlich eine einfache Maßstabsfaktorveränderung erforderlich ist, um dann die Belastung, die Motordrehzahl, den Schlupf oder die Leistung anzuzeigen. Wenn beispielsweise kein Induktionsmotor verwendet wird sondern ein Verbrennungskraftmotor, dann können die gemessenen Intervalle bei der Wellenumdrehung der Welle 126 unmittelbar in den Skalenmaßstab umgerechnet werden, so daß die Ablesung in PS erfolgt, was bei einer Anzahl von industriellen Anwendungsfällen von höherer Aussagekraft ist.

Zur Berechnung eines Maßstabsfaktors für direkte Ablesung in PS auf der Skala des Instrumentes 130 ist folgendes zu beachten:

Drehmoment · Drehzahl

die Leistung in PS = (1).

Die Konstante K ist abhängig von den verwendeten Maßeinheiten und der Stelle, an der die Drehzahl gemessen wird. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der Eingangsleistung zur Ausgangsleistung und bei dem oben benannten Ausführungsbeispiel etwa 60%. Auf der Abszisse der Darstellung der Fig. 3 ist der Schlupf als proportional mit der prozentualen Belastung in PS aufgetragen. Bei einer Kläranlage mit einem Durchmesser von 15,24m und einer durchschnittlichen Belastung von 7 Pfund pro Fuß Schlammbelastung, kann jedes Pfund pro Fuß des sich vor dem Rührarm 142 aufbauenden Schlamms direkt auf einer besonderen Skala des Instrumente n

⁰ abgelesen werden.

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Wenn das Instrument normalerweise einen Belastunqsbereich von 75 bis 125% anzeigt, ist damit 50% der gesamten Motorleistung auf der linearen Skala widergegeben. Mit einer Hunderter teilung der Skala läßt sich also bei einem 1/2 PS Motor pro Skalenstrichsprung 0,005 PS anzeigen.

Wenn das Instrument in Pfund pro Fuß vor dem Rührarm 142 aufgebautem Schlamm geeicht sein soll, dann ist die Belastung am Antriebsausgang der Kläreinrichtung zu beachten. Mit einer 20 000/1-Untersetzung der Drehzahl und unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades läßt sich aussagen, daß die Skalenstellung von 100% 0,12 PS Eingangsleistung bedeutet. Bei einer Belastung von 8 Pfund pro Fuß zeigt derselbe Prozeß eine Eingangsleistung von O,1388 PS oder 0,0188 PS pro Fuß Schlamm. Wenn dies durch Teilen umgewandelt wird, erhält man 0,0188/5 PS = 3,76% Schlammzunahme je PS am Motor, was einer 3,76 Skalenteilung gleichkommt. Es können also neue Skalenmarkierungen am Instrument so angebracht werden, daß die Auslesung direkt in Einheiten der beliebigen Belastungsfaktoren vorgenommen werden können oder in anderen Einheiten, die eine direkte Aussage über den Prozeß machen, in welchen die Lastüberwachungseinrichtung eingesetzt ist.

Fig. 8 zeigt ein bevorzugtes Blockdiagramm eines nach den zuvor beschriebenen Grundsätzen aufgebauten Systems, insbesondere nach den Gesichtspunkten des allgemeinen Ablaufs, wie er in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben wurde. Ein Wellendrehzahlsensor 150 , z.B. ein Airpax Nr. 40004, gibt einen Ausgangsimpuls 152 von etwa 130 mV

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Wechselspannung ab, der über einen Kondensator 151 auf einen Gleichspannungsverstärker und Impulsformer 153 gegeben wird, der einen gesättigten 12V Ausgangsimpuls 154 abgibt. Die Stirnkante löst eine monostabile Gatesteuerschaltung 155 aus, die durch eine Einstellung 156 eingestellt ist auf eine nominale Öffnungslänge t der Gateimpulswelle 157 von 3,5 ms (entsprechend der Wellenform in Fig. 2). Ein Gleichspannungsverstärker 158 hat die Eigenart, daß die Verstärkung gleich dem Schlupf ist, so daß der Ausgang 159 ein Instrument 160 über einen Pufferverstärker 161 zum Ausschlag bringt, was ohne Eingabe in das Instrument einen Ableitkreis 162 in Gang bringt. Eine Nullstelleinrichtung 163 für das Instrument erlaubt es, am Instrument eine Skalenmitteneinstellung auf 100% der Last zu eichen.

Eine Integratorschaltung 166 zusammen mit einer Abstimmung 167 ermöglicht es, daß der Komparatorverstärker bei jeder anhaltenden überlastung ein Alarmrelais 170 auflöst. Außerdem kann dadurch be wirkt werden, daß mit Hilfe eines Auskoppelverstärkers 171 das Instrument 160 abgeschaltet oder kurzgeschlossen wird. Um Fehlalarme zu vermeiden, wenn die Einrichtung zunächst eingeschaltet wird, ist ein Eingangsstromverzögerungsschaltkreis 172 vorgesehen für den Alarmverstärker und die Relaisschaltung 170. Mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 8 können äußere Schaltkreise über einen geeigneten Ausgangsschaltkreis 179 gesteuert werden. Diese Schaltkreise können z.B. die Gestalt haben, wie sie in den Fig. 9 und 10 angegeben sind.

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-W-

In der Schaltung der Fig. 9 bilden die Widerstände 171 und 172 die Nulleinstellung für die bei niedrigen Gleichströmen auftretende Trift der Verstärker 173 und 174. Mit den Widerständen 175 bis 178 wird ein Verstärkungsfaktor von etwa 1,25 erzielt. Die Widerstände 179 und 178 dienen zur Vorspannungseinstellung für die Verstärker. Die Elemente 181 bis 185 bilden einen Entkoppelkreis, damit sichergestellt ist, daß der Übertrager in der Anfangsphase 4 bis 20 mA abgibt. Die Widerstände 186 und 187 dienen zur Mittelpunkteinstellung, von wo aus der Komparatorverstärker 182 schalten kann.

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-Vt-

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Der Kondensator 188 verhindert das Auftreten von Schwingungen, und der Widerstand 183 ist so eingestellt, daß bei einem niedrigen Eingangssignal zum Komparator 185 ein 4 mA Ausgang vom Ausgang des Verstärkers 190 abgegeben wird; eine zweiseitige Spannungsquelle ist in der US-PS 3 906 796 beschrieben. Bei einem hohen Eingangssignal am Eingang des Komparators 185 ist die Diode 182 negativ vorgespannt, und der Ausgang des Verstärkers 174 ist frei, die zweiseitige Stromquelle 190 zu steuern.

In Fig. 10 ist ein optisch isolierender Wandler 200 zum Antrieb eines Steuergategenerators 201 vorgesehen, etwa eines Multivibrators, der eine Frequenz oder eine durchschnittliche Spannung oder einen Strom erzeugt in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit eines antreibenden Systems. Dies ermöglicht die Korrektur oder Veränderung der Geschwindigkeit oder sonstige Steuerungen oder Funktionsuntersuch -ungen des Drehmomentes oder der Geschwindigkeit des Antriebs.

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as .

Leerseite

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

( 1 7\ Schaltungsvorrichtung zum Messen der Lastbedingungen eines Induktionsmotors, gekennzeichnet durch eine elektrische Fühlereinrichtung, die in Abhängigkeit von der Motordrehzahl elektronische Triggerimpulse abgibt, deren Folgefrequenz mit der Motordrehzahl schwankt, einen Impulskettengenerator, der abhängig von den Trjjgerimpulsen kalibriert einen Steuerimpuls von fester Zeitdauer erzeugt, die kürzer als die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen bei einer Geschwindigkeit, die einer bestimmten Last am Motor zugeordnet ist, ist, wodurch Signalimpulse von variierender Länge erzeugt werden, deren Länge sich aus der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulsen und dem Impuls von fester Länge ist, und eine Anzeigevorrichtung, die abhängig von den Signalimpulsen den Lastzustand des Motors über einen repräsentativen Bereich von Lastwerten anzeigt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung ein analoges Instrument aufweist und zugehörige Schaltkreise, um Instrumentenanzeigen als Funktion der Länge der Signalimpulse zu erzeugen.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine Flip-Flop-Schaltung und WeI-lenformanalysierschaltungen enthält, durch die die Flip-Flop-

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-2-ORIGINAL INSPECTED

Schaltung in einen Alarmzustand geschaltet wird, wenn oie signalimpulsdauer angibt, daß ein vorbestimmter Lastzustand des Motors fiberschritten ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenformanalysierschaltungen Mittel zur Erzeugung eines Schwellwertimpulses von auswählbar variabler Dauer aufweisen aufgrund jedes Triggerimpulses, wodurch ein bestimmter Alarmgrenzwert dargestellt wird, und eine Vergleichsschaltung, die das Flip-Flop triggert, wenn die Zeitdauer der Signalimpulse die Dauer der Grenzwertimpulse übersteigt.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitverzögerungsschaltung vorgesehen ist, die während der Motoranlaufzeit den Vergleichskreis außer Betrieb setzt.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel, die das Flip-Flop automatisch setzen, um den Alarmzustand zu beseitigen, wenn die Dauer der Signalimpulse kürzer wird als die Dauer der Grenzwertimpulse.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung eine elektronische Schaltung enthält, die aus den Signalimpulsen variabler Dauer ein Gleichspannungs-Belastungssignal bildet, das sich proportional mit den Änderungen der Signalimpulsdauer ändert.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel, die wenigstens einen Gleichspannungsgrenzpegel auswählen,

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der ein Maß für einen bestimmten Lastzustandswert des Gleichspannungslastsignalpegels ist, und Mittel zum Vergleichen des Grenzwertpegels und des Lastsignalpegels zur Erzeugung eines auswertbaren Ausgangssignals.
9. Verfahren zur Meßung des Schlupfes eines Induktionsmotors, der eine sich drehende Welle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst elektronische Triggersignale von der Drehung der Welle abgeleitet werden, aufgrund jedes Triggersignals ein digitaler elektronischer Imuls von fester Zeitdauer erzeugt wird und die Änderungen des Schlupfes durch die variable Länge von Impulsen angezeigt wird als eine Funktion des Zeitunterschiedes zwischen der Dauer der festen Impulse und dem Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Triggerimpulset\.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impuls von fester Dauer kalibriert wird, um bei Motorvolllast eine vorbestimmte Zeitdifferenz zu erzeugen, und daß ein Zustand ermittelt wird, bei dem die Zeitdifferenz um eine bestimmte Zeit über die vorbestimmte Zeitdifferenz hinausgeht, als Motorüberlastanzeige .
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

der elektronisch erzeugte Impuls von fester Zeitdauer erzeugt wird, um einen vorbestimmten Motorlastzustand zu bestimmen, der im linearen Abschnitt der Drehzahl-Last-Kurve des Motors liegt.
12. Kombination von Antriebsmitteln, deren Geschwindigkeit sich mit der Last verändert, Mitteln, die durch die Drehung der Antriebsmittel betätigbar sind, um entsprechende Signalimpulse zu

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erzeugen, die abhängig von einem vorbestimmten Meßintervall der Drehung der Antriebsmittel abgeleitet sind, und Last bestimmende Mittel, die von den Signalimpulsen weitere Signalimpulse von variabler Länge erzeugen mit einer Folgefrequenz, durch der die Geschwindigkeit der Antriebsmittel und damit der Lastzustand bestimmbar sind.
13. Kombination nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung, die auf die Impulse anspricht und eine Anzeige als laufende Funktion der Augenblicksgeschwindigkeit der Antriebsvorrichtung wiedergibt.
13. Kombinaton nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine in Größen der Belastung des Antriebs geeichte Skala aufweist.
15. Kombination nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Anzeigeinstrument eine in Größen der von der Antriebsvorrichtung abgegebenen Leistung geeichte Skala aufweist.
16. Kombination nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehzahlfühleinrichtung vorgesehen ist, die bei jeder Umdrehung einen Impuls erzeugt, daß eine über ein Induktionsgetriebe angetriebene Last vorhanden ist und eine Skalaeichung auf dem Instrument als Funktion der Last am Antrieb vorhanden ist.
17. Kombination nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung, die ein Signal von einer vorbestimmten Geschwindigkeitsänderung des Antriebs erzeugt.

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18. Kombination nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel, die ein Signal abgeben, eine Steuerschaltung zur Betätigung einer äußeren Schaltung aufweisen.
19. Kombination nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung ein optisch gekoppeltes Glied und eine zugehörige Generatorschaltung aufweist, die ein Signal von den ein Signal abgebenden Mitteln in eine Steuerfunktion umwandeln mit einem Ausgangsparameter, der eine Funktion der Geschwindigkeit der Antriebseinrichtung ist.
20. Kombination nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung eine Auskuppelschaltung enthält, die einen variablen Stromausgangswert erzeugt innerhalb eines vorbestimmten Strombereichs, in dem der Strom eine Funktion der Drehzahl der Antriebsvorrichtung ist.
21. Elektronische Schaltungsanordnung zum Messen des Lastzustandes eines beweglichen Elementes, dessen Drehzahl sich mit der Belastung verändert, gekennzeichnet durch einen elektronischen Fühler, der die Bewegung des beweglichen Elementes erfaßt und eine Folge von Einzelimpulsen erzeugt, deren Wiederholungsfrequenz sich in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des Elementes ändert, eine elektronische Wellenformverarbeitungseinrichtung, die die Impulse verarbeitet und daraus ein Grenzwertgeschwindigkeitssignal in Abhängigkeit von einem gewählten Abstand zwischen den Impulsen erzeugt, wodurch ein bestimmter Lastzustand bezeichnet ist, und Ausgangsmitteln, die abhängig von den Grenzwertsignalen eine Alarmanzeige hervorrufen.

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22. Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmittel eine Lichtanzeige enthalten.
23. Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmittel einen elektrischen Schaltkreis aufweisen, der ein elektrisches Kontrollsignal erzeugt.
24. Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenform verarbeitende Einrichtung einen elektronischen Komparatorkreis enthält, der den Abstand zwischen den Impulsen mit einem Standard vergleicht zur Erzeugung eines Differenzsignals, dessen Dauer sich mit der Geschwindigkeit ändert, und Mittel, die das Differenzsignal der vorbestimmten Dauer auswählen, um das Grenzwertsignal zu erzeugen.
25. Schaltung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch variable Elektronikeinrichtungen zum Einstellen variabler Geschwindigkeitswerte für die Erzeugung des Grenzwertsignals.
26. Schaltung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsmittel einen elektronischen Generator aufweisen, der Signale mit variablem Zyklus erzeugt innerhalb eines vorbestimmten Geschwindigkeitsgrenzwertbereiches.

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