DE2748067A1

DE2748067A1 - Elektronisches messystem zum ueberwachen und messen der betriebsgroessen einer kolbenmaschine

Info

Publication number: DE2748067A1
Application number: DE19772748067
Authority: DE
Inventors: Panayiotis J Rocky R Tsipouras
Original assignee: Megasystems Inc
Current assignee: Megasystems Inc
Priority date: 1976-10-26
Filing date: 1977-10-26
Publication date: 1978-04-27
Also published as: ES463493A1; FR2369556A1; GR64085B; IL53178A; JPS5354077A; NL7711763A; US4104907A; IT1087032B; SE7711615L; GB1593685A; NO773485L; DK466177A; IL53178A0; BE860078A

Description

DR. E. WIEGAND DIrL-I,\G. W. NICWANN

DR. M. KOHLER DIPL-ING. C GERNHARDT 27 4 8

MÖNCHEN , HAMBURG

TEUFON: 5554 7ή 8000 M U N C H E N 2,

TELEGRAM M E: KARPATCNT ΜΑΤ HILDENSTRASSE 12

TELEX: 5 29 068 KARP D

26. Oktober 1977

W. M3 004/77 Zi/kö

MEGASYSTEMS INC. Cleveland, Ohio, V.St.A.

Elektronisches Meßsystem zum Oberwacher, und Messen der Betriebsgrößen einer Kolbenmaschine

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Meßsystem zum Überwachen und Messen der Betriebsparameter einer mehrzylindrigen Maschine mit einem zyklisch antreibbaren Element, das an alle Kolben der Maschine anschließbar ist.

Leistungsnessungen von Zylindern beruhen normalerweise auf dem p,V-Diagramm, in welchem der Druck über dem Volumen abgetragen ist. Bisher wurde insbesondere bei langsam laufender. Maschinen das ρ,V-Diagramm mit einer mechanischen Anzeigevorrichtung ("Indikatorvorrichtung") aufgezeichnet, um graphische Messwerte zu erzielen. Bei verhältnismäßig schnell laufenden Maschinen ist diese mechanische Vorrichtung aufgrund der Trägheit der sich bewegenden Teile ungenau-und daher nicht verläßlich. Dafür wird der Druck im Zylinder häufig mit Hilfe eines elektronischen Wandlers gemessen und der Parameter für

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das Volumen vom Drehwinkel der Kurbelwelle mit Hilfe eines sogenannten ^wDrehfunktiongenerators¹¹ abgeleitet. Wenn das p,V-Diagramm vorliegt, wird die der geleisteten Arbeit entsprechende Fläche mit Hilfe eines Planimeters oder eines anderen geeigneten Gerätes gemessen, das eine manuelle Berechnung erforderlich macht. Beide bekannten Maßnahmen erfordern einen umfangreichen manuellen Aufwand, worin die Nachteile liegen.

Das Meßsystem gemäß der Erfindung beseitigt die verschiedenen manuellen Maßnahmen, die bei den bekannten Systemen erforderlich sind, und liefert darüberhinaus einen kontinuierlichen Ausgang, welcher der Pferdestärke des ausgewählten Zylinders entspricht. Wie im Nachstehenden noch deutlich werden wird, kann das System gemäß der Erfindung ein Teil eines größeren, auf Mikroprozessoren beruhenden Systems sein, welches die Messungen für alle Zylinder einer vorgegebenen Maschine automatisch erfassen und anzeigen kann.

Das im Nachstehenden beschriebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel des Meßsystems gemäß der Erfindung hat folgende Ziele:

Das Meßsystem soll den Kompressions- und Verbrennungsdruck und die angezeigte Pferdestärke eines jeden Zylinders in periodischen ZeitIntervallen messen.

Das Meßsystem soll für jede Kolbenmaschine bis zu 16 Zylindern passen, die eine gemeinsame Kurbelwelle antreiben.

Das Meßsystem soll in der Lage sein, die Drehzahl der Kurbelwelle zu messen.

Alle Messungen für einen bestimmten Zylinder sollen in Form von kontinuierlichen Spannungssignalen vorliegen, so daß kompatible analoge Indikatoren verwendet werden können.

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Die Messungen mit Hilfe des Systems gemäß der Erfindung sollen bei Vorwärts- und Rückwärts lauf der Maschine möglich sein.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 ein Blockschaltbild des Meßsystems gemäß der Erfindung,

Figur 2 ein Schaltbild des Eingangsteils des Systems mit einem 16 Kanäle aufweisenden Ladungsverstärker und seinen zugeordneten Clampingschaltungen,

Figur 3A ein Schaltbild des im Meßsystem verwendeten Funktionsgenerators, welcher die normalisierte Geschwindigkeitsfunktion auf der Grundlage des Ausganges des Drehimpulsgenerators und der Adresse des ausgewählten Zylinders entwickelt,

Figur 3B ein Zeitdiagramm mit der Darstellung der Eingangswellen der Markierungsimpulse und Taktimpulse zum Funktionsgenerator,

Figur 3C eine Darstellung der Sinuswelle, welche die Geschwindigkeitsfunktion in Umdrehungen pro Minute in Abhängigkeit vom Winkel der Kurbelwelle anzeigt,

Figur 4 ein Schaltbild des Spitzenanzeigers (Peak-Detector) und der Schaltung, welche den Verbrennungsdruck der Maschine mißt,

Figur 5A ein Schaltbild der Multiplizierschaltunger. und der zugehörigen Tiefpaßfilter, welche die analogen Ausgangssignale für die Leistung und die Drehzahl r:o

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Minute des Meßsysteins gemäß der Erfindung entwickeln,

Figur 5B ein Wellendiagramm der Markierungs- und Taktimpulse, die vom Drehimpulsgenerator gemäß Figur 1 mit besonderem Bezug auf den Drehtakt der Maschinenwelle erzeugt werden,

Figur 6A die Druckwelle des Maschinenzylinders in Abhängigkeit von der Zeit,

Figur 6B eine Darstellung der zeitlichen Beziehung zwischen einigen Impulsen, die beim Meßsystem gemäß der Erfindung erzeugt werden, und

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Diskriminier-

und Halteschaltung (Sample-Hold circuitry), die im System gemäß der Erfindung verwendet wird.

Der nachfolgende, kurze mathematische Abriß gibt die von der elektronischen Schaltung des Meßsystems durchzuführenden Berechnungen wieder und ist für das Verständnis des Verhaltens der Schaltung wesentlich»

Bezeichnungen:

P(t) = Druck im Zylinder in Abhängigkeit von der Zeit; X(t) = lineare Stellung des Kolbens im Zylinder; v(t) - lineare Geschwindigkeit des Kolbens in Abhängigkeit von der Zeit; A s Fläche des Kolbenquerschnittes.

1. Die Arbeit, die der Kolben bei seiner Bewegung um eine unendlich kleine Strecke dx (t) ausübt, ist: dE(t) = A.P(t)-dx (t) = A P(t)«v(t) dt.

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2. Die gesamte, während einer vollständigen Umdrehung geleistete Arbeit ist: (T = Dauer der Umdrehung) Er« ■" - ^T-

3. Die durchschnittliche Leistung "W" während einer Umdrehung

läßt sich wie folgt ausdrücken:

τ . / T

Aus der Gleichung für die durchschnittliche Leistung (3) läßt sich feststellen, daß die nachfolgenden Maßnahmen von der Schaltung des erfindungsgemäßen Systems durchgeführt werden müssen:

a) Messen von P(t) und v(t)

b) Multiplizieren von P(t) und v(t)

c) Hindurchschicken des aus der Multiplikation hervorgegangenen Ergebnisses durch ein Tiefpassfilter

d) Einstellen des Maßstabbeiwertes auf der Grundlage von "A" und anderen Konstanten der Schaltung.

Die Messung von P(t) wird mit einem piezoelektrischen Wandler vorgenommen.

Die Kolbengeschwindigkeit kann nicht direkt gemessen werden, sondern wird durch das System aus den Messungen des Kurbelwellenwinkels "Wt)" und der Winkelgeschwindigkeit "wit)" nach der folgenden Beziehung abgeleitet:

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Hierin bedeuten:

L = Länge der Verbindungsstange R - Radius der Kurbelwelle.

Der Winkel ^nLf ⁿ in der obigen Gleichung ist Null, wenn sich der Kolben in seiner untersten Stellung befindet.

Es wird nun auf das in Figur 1 gezeigte Blockschaltbild

des Systems gemäß der Erfindung Bezug genommen. Das Meßsystem besteht im Prinzip aus drei Abschnitten:

a) Abschnitt zum Messen des Druckes,

b) Abschnitt des Funktionsgenerators, und

c) Abschnitt für die Leistung und Umdrehungen pro Minute.

a) Im Abschnitt zum Messen des Druckes messen piezoelektrische Wandler 10 die Druckänderungen, die in jedem Zylinder der Maschine auftreten. Die Ausgangssignale dieser Wandler werden einzeln an einen Ladungsverstärker Ul angelegt und von diesem Ladungsverstärker und seinen zugeordneten Clampingschaltungen verarbeitet, so daß die Druckänderungen auf den Atmosphärendruck bezogen werden. Ein analoger Multiplexer 12 bestimmt, welche einzelnen Wandler bei 4Fl, Ü2 ...4?η den Ladungsverstärker Ul antreiben, wenn die Anweisung von der Leitung 20 für das den Zylinder auswählende Signal kommt. Das Ausgangssignal P(t) des Ladungsverstärke rs ist eine positive Spannung, deren Größe dem absoluten Druck im Zylinder entspricht.

Eine Diskriminier- und Haltevorrichtung** 3 ist kurz vor der Zündung des Zylinders unter der PrUfung einer die Kompression oder Verdichtung zeitlich erfassenden Schaltung 17 betätigbar,

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so daß der in diesem Augenblick gemessene Verstärkerausgang P(t) eine enge Annäherung an den tatsächlichen Kompressionsdruck des untersuchten Zylinders ist.

Eine andere Diskriminier- und Haltevorrichtung ^U ist von einer Maximalanzeige-Schaltung 18 in dem Augenblick betätigbar, wenn das Ausgangssignal P(t) den maximalen Wert erreicht, um einen Signalausgang zu erzeugen, der gleich dem Verbrennungsdruck des untersuchten Zylinders ist.

b) Der Sinn und Zweck des Abschnittes mit dem Funktionsgenerator besteht darin, die Werte für die Kolbengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle aufgrund einer Einheitswinkelfrequenz, d.h. einer normalisierten Geschwindigkeitsfunktion, zu entwickeln. Bei anderen Winkelfrequenzen wird einfach die normalisierte Geschwindigkeit mit dem Wert der Winkelfrequenz multipliziert, um auf diese Weise die tatsächliche Kolbengeschwindigkeit zu erzielen.

Um dies zu erreichen, wird ein Drehimpulsgenerator 25 mit einer Welle 26 verbunden, die sich mit der Kurbelwelle der Maschine dreht. Der Impulsgenerator 25 erzeugt zwei Ausgangssignale, das heisstjeinen Markierungsimpuls und einen wellenförmigen Taktimpuls. Der Markierungsimpuls erscheint einmal pro Umdrehung der Kurbelwelle und der wellenförmige Taktimpuls besteht aus einer Reihe von 512 Impulsen, die bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle erzeugt werden. Der Impulsgenerator ist mit der Kurbelwelle der Maschine so verbunden, dass der Markierungsimpuls mit dem oberen Totpunkt des Kolbens § 1 zusammenfällt. Alle anderen Kolben erreichen ihren oberen Totpunkt entsprechend der vorgegebenen Zündfolge der entsprechenden Maschine, wie dies allgemein verständlich ist. Durch das Zählen der Taktimpulse ist es möglich, vorherzu-

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sagen, wann jeder Kolben seinen oberen und unteren Totpunkt erreicht. Die aus 512 Tatkimpulsen bestehende Welle erzeugt 256 Werte für die normalisierte Geschwindigkeit pro Wellenumdrehung der Naschine· Diese 256 Werte werden in einem nur lesenden Speicher (Read Only Memory - ROM ) des Punktionsgenerators 36 gespeichert, dessen Sinn und Zweck später erläutert wird.

(c) Der Abschnitt für die Leistung und Drehzahl bestimmt die von der Maschine erzeugte Leistung,und bewirkt die Multiplikation des Zylinderdruckes F (t) und der normalisierten Geschwindigkeit mit Hilfe eines zwei Quadranten multiplizierenden Digital/Analog Konverters (DAC), der mit 3o bezeichnet ist. Das Signal F(t) des Zylinderdruckes wird an die Bezugs- Eingangsklemme (R) des Digital/Analog-Konverters 3o angelegt, während das Signal der normalisierten Geschwindigkeit in dem nur lesenden Speicher (ROM) des Funktionsgenerators 36 den logischen Eingängen des DAC 3o in einer später noch zu beschreibenden Weise zugeführt wird. Der Signalausgang aus dem DAC 3o wird dann mit. der Winkelfrequenz in einem Schaltmultiplikator 31 (Switching Multiplier) multipliziert und schliesslich durch ein Tiefpassfilter 32 hindurchgeschickt, um ein Signal zu erzeugen, das der Leistung entspricht, die vom untersuchten Zylinder erzeugt wird.

Die Drehzahl pro Minute der Maschinenwelle wird mittels einer ähnlichen Kombinationsschaltung mit einem Schaltmultiplikator 34 und einem Tiefpassfilter 35 gemessen. Wie im nachstehenden beschrieben wird, sind die Drehzahl und Winkelgeschwindigkeit der Maschinenwelle im Grunde proportional zur Frequenz der Taktim-pulse, die vom Impulsgenerator 25 erzeugt werden.

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Die Takt- und Markierungsimpulse werden an den Funktionsgenerator 36 angelegt, dessen Ausgangssignal einen monostabilen Schaltkreis 38 (one-shot switching circuit) antreibt, dessen Ausgang dann den Schaltmultiplikator 34 auslöst. Das Ausgangssignal dieses Multiplikators wird dann durch den Tiefpassfilter 35 hindurchgeschickt, um einen Signalausgang zu erzeugen, welcher der Drehzahl der Maschinenwelle entspricht.

Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen. Der Abschnitt zum Messen des Druckes des erfindungsgemässen Systems überwacht und misst in jedem Zylinder den absoluten Druck sowie den Kompressionsdruck und den Verbrennungsdruck. Der Abschnitt zum Messen des Druckes weist zu diesem Zweck die piezoelektrischen Wandler 1o auf, von denen jeder mit einer Nummer jf-Λ 2 ··/" ^vei*sehen ist und dem Zylinder entspricht, mit

welchem er in ener Maschine mit 16 Zylindern einzeln verbunden ist. Es ist jeweils ein Wandler für jeden Zylinder vorgesehen. Jeder Wandler spricht auf eine Änderung des entsprechenden Zylinderdruckes an, um ein Ladungssignal Q zu erzeugen, das für diese Druckänderung kennzeichnend ist. In der Praxis hat sich ein Wandler der Columbia Research Laboratories mit der Modell Nr. SD-149-C für das erfindungsgemässe System als zweckmässig erwiesen.

Jeder der Wandler 1o (j^1, #2 ^_n) ist getrennt

an den Eingang eines η Kanäle aufweisenden, analogen Multiplexers 12 angeschlossen, der während des Betriebes bekanntermessen eine Vielzahl von "Ein-Aus"-SchaItem G„ G₀ G

"et Π

aufweist, die auf der einen Schalterseite durch den Leiter 15 parallel angeschlossen sind und auf der anderen Schalterseite einzeln mit jeweils einem der Wandler 1o verbunden sind. Jeweils ein Schalter ist für einen Wandler vorgesehen. Eine für den vorgesehenen Zweck zufriedenstellende Multiplexer-Einheit wird von der Analog Devices, Semiconductor Division unter der Katalog-Nr. AD 75o6 KD hergestellt.

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Der Ausgang des Multiplexers ist über einen Leiter 16 mit der negativen Anschlussklemme des Ladungsverstärkers U1 verbunden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die positive Eingangsklemme des Verstärkers U1 als auch das Gehäuse eines jeden Wandlers mit der Masse der Maschine verbunden.

Die Ausgangsklemme des Ladungsverstärkers U1 ist über einen Leiter 18 mit der negativen Eingangsklemme eines Instrumentenverstärkers U2 verbunden.

Ein im Handel erhältlicher Instrumentenverstärker von der Analog Devices, IQc. mit der Modell-Nr. AD 521 hat sich für den vorgesehenen Zweck als Verstärker U2 brauchbar erwiesen.

Die graphische Darstellung in Fig. 6 zeigt eine typische Wellenform des absoluten Zylinderdruckes für einen Kolbentakt in Abhängigkeit von der Zeit und lässt erkennen, dass der Zylinderdruck minimal ist, wenn sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt befindet, und dass der Zylinderdruck allmählich exponential auf eine grössere Höhe ansteigt, die als Kompressbnsdruckhöhe (F comp) bezeichnet wird, bei welcher eine leichte Haltestelle auftritt. Danach steigt der Zylinderdruck weiter, wenn sich der Kolben nach oben im Zylinder bewegt, bis er seine maximale Höhe beim maximalen Druck (P max) erreicht, was in dem Augenblick der Fall ist, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht.

Der Kraftstoff wird normalerweise bei der Kompressionsdruckhöhe (P comp) in den Zylinder eingespritzt und die Zündung erfolgt in der Zeitspanne zwischen P comp und P max, um den Arbeitshub des Kolbentaktes einzuleiten.

Der Zylinderdruck beginnt exponential abzunehmen, wenn sich der Kolben in und durch den Arbeitshub hindurchbewegt und

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in seiner Bewegung fortfährt, bis er wieder den unteren Totpunkt erreicht hat.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, wiederholt sich die Kurve für den Zylinderdruck in Abhängigkeit von der Zeit für jeden Takt einer jeden Kolbenbewegung.

Jeder Wandler ist mit seiner Zylinderkatniner verbunden, wie beispielsweise der Wandler f"1 mit der Zylinderkammer/I. Jeder Wandler spricht auf die Änderung des Zylinderdruckes P (t) an, um ein Ladungssignal O zu erzeugen, welches der Änderung des Zylinderdruckes P (t) entspricht.

Wenn sich der Kolben des Zylinders in seinem unteren Tot punkt befindet, ist das Ladungssignal Q des zugeordneten null _ϊ wie dies im vorstehenden erwähnt wurde.

Um den absoluten Zylinderdruck eines jeden Zylinders, beispielsweise des Zylinders ff-1 zu bestimmen, erzeugt der Wandler /Ί, wie vorstehend erwähnt, ein Ladungssignal Q , welches der Änderung des Zylinderdruckes entspricht und dessen Grosse durch die Gleichung bestimmt wird:

Q = JL P (t)
worin bedeuten:

(X - die Ladungsempfindlichkeit des Wandlers in Coulombs pro psi (0,07 kp/cm ); beim Columbia-Wandler SD-149-C ist die Ledungsempfindlichkeit 4oo ρ Coulombs/psi.

P (t)= Zylinderdruck.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird das Ladungssignal Q des Wandlers}^1 über den analogen Schalter G^ und die Leiter 15 und 16 an die negative Eingangsklemme des Ladungsverstärkers

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U1 angelegt, wobei diese Ladung verstärkt wird, um ein Spannungssignal V. zu erzeugen, welches der Grosse des Ladungssignals Q proportional ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, hat der Verstärker U1 zwei Rückkopplungskreise zwischen seinen Eingangs- und Ausgangsklemmen. Der erste Rückkopplnngskreis weist ein analoges Tor 6 und einen Widerstand R^ auf, die parallel zu einem Kondensator C_ geschaltet sind. Der zweite Rückkopplungskreis weist eine Diskriminier- Halteschaltung j|H (Sample-Hold circuit), einen Widerstand R. und eine monostabile Schaltung #1 (one-shot) auf.

Der Zweck des ersten Rückkopplungskreises mit dem analogen Tor G und dem Widerstand R, besteht darin, die Ausgangsspannung Vj des Verstärkers U 1 bei Beginn eines jeden Taktes in dem Augenblick auf null zu bringen, in welchem sich der Kolben des gerade gemessenen Zylinders im unteren Totpunkt befindet. Auf diese Weise beginnt der Verstärker U1 bei jedem Messvorgang seinen Spannungsausschlag stets beim Bezugspunkt null·

Um dies zu erreichen, besitzt die Clamping-Schaltung für den Ladungsverstärker TJ1 einen monostabilen Kreis 32, der als monostabiler Kreis $2 bezeichnet ist. Die eine Seite des monostabilen Kreises 32 ist über einen Leiter 22 mit dem analogen Tor G verbunden. Der monostabile Kreisf2 kann ein im Handel erhältlicher monostabiler Multivibrator sein, wie er beispielsweise von der Advanced Micro Devices Inc. of Sunnyvale, Kalifornien unter der Modell Nr. AM 26Lo2/96LO2 hergestellt wird.

Der Eingang zum monostabilen Multivibrator jf 2 ist mit dem Ausgang eines anderen monostabilen Kreises verbunden, der als monostabiler Kreis ^1 bezeichnet ist, welcher den gleichen

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Aufbau wie der monostabile Multivibrator \2 haben kann. Ein monostabiler Multivibrator ^4, der in den Fig. 1 und 3 A mit 38 bezeichnet ist, wird durch einen herkömmlichen bistabilen Multivibrator oder einen Flipflop 4o ausgelöst, der ein Teil des Funktionsgenerators 36 ist. Der Flipflop 40 wird duroh die vom Drehimpulsgenerator 25 erzeugten Taktimpulse ausgelöst. Der Drehimpulsgenerator 25 erzeugt eine Impulsreihe von 512 Impulsen pro Umdrehung der Maschinenwelle 26, wie dies im vorstehenden erläutert wurde.

Wie aus dem nachstehenden deutlicher hervorgeht, kann ein besonderer Teil dieser aus 512 Impulsen bestehenden Impulsreihe jedem Zylinder zugeordnet werden. Beispielsweise bei einer Maschine mit 16 Zylindern erzeugt der Drehimpulsgenerator 25 pro Zylinder und pro Umdrehung der Maschinenwelle 26 sechszehn Taktimpulse der Impulsreihe. In ähnlicher Weise entsprechen bei einer Maschine mit 3 Zylindern 32 Impulse der Impulsreihe jedem Zylinder pro Umdrehung der Maschinenwelle.

Es wird nun auf die Figuren 1,2 und 3 A Bezug genommen. Der Drehimpulsgenerator 25 erzeugt 5^2 Taktimpulse pro Umdrehung der Kurbelwelle der Maschine. Die Impulsreihe (512 Impulse) wird mit dem Komperator C (Fig. 3 A) des Funktionsgenerators 36 (Fig. 1) verbunden, wobei der Spannungseusschlag mit 2,5 Volt verglichen wird. Diese Impulsreihe wird dann über einen Leiter 31 (Fig. 3 A) mit der Eingangsklemme C des Flipflops 4o verbunden, wobei die Impulsreihe geteilt wird, um eine Ausgangsimpulsreihe "A^w von 256 Impulsen zu erzeugen.

Diese Impulsreihe ⁿA^w mit 256 Impulsen wird durch einen Leiter 41 (Fig. 3 A) mit dem Eingang des monostabilen Kreises JT4 (38) verbunden, in welchem die Impulsreihe ⁿAⁿ die Ausgangsimpulsreihe Q mit konstanter Breite erzeugt.

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Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass beim Zylinder nachgesehen wird und dass der Trigger für den unteren Totpunkt (Fig. 6 8) den Augenblick darstellt, in welchem der Kolben ^M seinen unteren Totpunkt erreicht.

Wenn dieser besondere Impuls (UT Trigger) an den monostabilen Kreis ψ Λ angelegt wird, erzeugt dieser einen Impuls P^. Am Ende dieses Impulses P^, löst dessen ansteigende Nachlaufkante den Kreis 32 aus, der als monostabiler Kreis bezeichnet ist und dann ausgelöst wird, um einen Impuls Pp zu erzeugen.

Wie im Zeitdiagramm der Pig. 6 B gezeigt ist, wird das Impulssignal P₂ nach dem Impuls P^ und nach dem Impuls P für den zugeordneten Kolben, das heisstjfür den Zylinder erzeugt. Der Impuls P₂ wird jedoch erzeugt, während sich der Kolben f^ des gerade untersuchten Zylinders in seinem unteren Totpunkt befindet.

Wenn sich der Kolben in seinem unteren Totpunkttefindet, ist das Ladungssignal Q des zugeordneten Wandlers ebenfalls null.

In diesem Augenblick ist das Ausgangsspennungs-Signal V, des Verstärkers U1 ebenfalls ruU. Der Impuls P₂ läuft über den Leiter 22 zum analogen Tor G und schaltet das analoge Tor 6 ein und verbindet den Widerstand R. mit dem Kondensator C. und den Ein- und Ausgangsklemmen des Verstärkers U1. Diese NuIl-

s pannung wird durch den Rückkopplungsweg R. und C-. zurück_gefUhrt .Diese Nulls-pannung klemmt den Eingang des Verstärkers U1 am Ende eines jeden Taktes der Kolbenbewegung, das heisst₅ wenn sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt befindet, auf den Ausgangswert, das heisst auf null.

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Der Spannungswert des Verstärkers U1 befindet sich bei Beginn eines jeden Kolbentaktes auf dem gleichen Wert, d.h. auf null.

Der zweite Rückkopplungskreis mit der Diskriminier- und Halteschaltung £1, dem Widerstand R. und dem monostabilen Kreis Jäf 1 arbeitet in der nun zu beschreibenden Weise, um eine Drift des Betriebswertes des Verstärkers U1 aufgrund von vorgespannten Strömen (bias currents) oder Verlustströmen in den Kreisen zu verhindern, die der negativen Eingangsklemme des Verstärkers U1 zugeordnet sind.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Ausgangsklemme des Verstärkers U1 über den Leiter 23 mit der positiven Eingangsklemme der Diskriminier- und Halteschaltung #"1 verbunden, die ein herkömmlicher, ein Tor aufweisender Punktionsverstärker ist, der beispielsweise von der Harris Semiconductor unter der Modell Nr. HA-242o-2425 hergestellt wird. Der Schaltungsaufbau dieses Funktionsverstärkers ist in Fig. 7 gezeigt.

Die Diskriminier- und Halteschaltung =]H der Fig. 7 weist einen Hochleistungs- Funktionsverstärker A auf, dessen Eingang mit einem analogen, einen überaus niedrigen Leckverlust aufweisenden Schalter G und einem MOSFET-Eingangs-Einheits-Verstärkungsfaktor-Verstärker A_f (MOSFET input unity gain amplifier) verbunden ist. Während des Betriebes, wenn der äussere Kondensator C mit dem Ausgang des Schalters G verbunden ist, wird der Kondensator C auf den Wert des Signalausgangs des Verstärkers A aufgeladen. Wenn der Schalter G geschlossen ist, wird der Signalausgang des Verstärkers A in ähnlicher Weise an den Eingang des Einheits-Verstärkungsfaktor-Verstärkers A„ angelegt.

Wenn der Schalter G offen ist, ist der Kondensator C mit der Eingangsklemme des Verstärkers A. verbunden, worauf

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der Wert des Ausgangssignals des Verstärkers A- auf seinem letzten Wert bleibt, wenn der Schalter 6 vorher geschlossen war.

Wie im vorstehenden erwähnt, wird der monostabile Multivibrator §Λ ausgelöst, um den Impuls P,, zu erzeugen, welcher in dem Augenblick auftritt, in welchem das Spannungssignal V^ des Verstärkers Ü1 nahezu null ist.

Das Impulssignal P^ wird an den analogen Schalter 6 der Diskriminier- und Halteschaltung fti der Fig. 7 angelegt. Dieses Impulssignal P- echliesst diesen Schalter und verbindet den Verstärker A, und den Verstärker A. in Reihe mit

ο χ

dem Ladungsverstärker U1. Diese Schaltung wirkt auf diese Weise als Rückkopplungsschaltung, welche den Ausgangswert des Verstärkers U1 während des Impulssignals P>| misst und einen Strom durch den Widerstand R. entwickelt, um den Ausgangswert des Verstärkers Ü1 während der nachfolgenden Umdrehungen auf ein Minimum zu bringen. Dieser Diskriminiervorgang hält für die Dauer des Impulses P^ an. Wenn der Impuls P^ endet, wird der analoge Schalter G geöffnet, worauf der Verstärker A_ aufgrund des an seine Eingangsschaltung angeschlossenen Kondensators C weiterarbeitet und auf diese Weise seinen Ausgang auf seinem früheren Signalwert hält. Diese Bedingung bleibt für die restliche Zeitspanne bestehen, in welcher der Kolben des untersuchten Zylinders seinen nächsten Hub vollendet. Der Verstärker U1 ist auf diese Weise gegen jeden vorübergehenden Zustand unempfindlich, der eine Drift hervorrufen könnte.

Das Spannungsausgangssignal V^ des Ladungsverstärkers U1 der Fig. 2 wird über den Leiter 18 ait der negativen Eingangs, klemme des InstrumentenverstarkersU2 verbunden , welcher die zweite Stufe der Ladungsverstärkerschaltung darstellt, in welcher das Signal in geeigneter Weise verstärkt wird.

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a*

Der Instrumentenverstärker U2 der Fig. 2 ist ein im Handel erhältlicher monolithischer Verstärker mit dem zusätzlichen Merkmal von 2 zusätzlichen Eingängen, die mit den Buchstaben S und R (Sense und Reference) bezeichnet sind. Ein derartiger Verstärker wird beispielsweise von der Analog Devices Inc. unter der Modell Nr. AD 521 hergestellt. Bei diesem Verstärker ändert eine an die Eingangsklemme R angelegte Spannung die Ausgangsspannung V₂ um den gleichen Betrag» (Addition), während eine an die Eingangsklemme S angelegte Spannung diese Spannung abzieht, um eine Differenzausgangsspannung zu erzeugen. Im vorliegenden Fall wird diese Funktion des Verstärkers verwendet, um eine Ausgangsspannung null zu erzielen (V₂ « 0, wenn V₁ = 0).

Das Ausgangssignal Vp soll eine genaue Darstellung des absoluten Zylinderdruckes des untersuchten Zylinders sein.

Um dies zu erreichen, muss man verhindern, dass irgendwelche durchgehenden Spannungssignale den Stromsignalausgang Q des zugeordneten Wandlers beeinflussen. Ebenso ist es erforderlich, den Signalausgang Q eines Jeden Wandlers für jeden Druckeingang seines zugeordneten Zylinders zu normieren.

Um die erste Anforderung zu erfüllen, werden die Massen der Maschine, eines jeden Wandlers und des Meßsystems miteinander verbunden, um das ganze System aus Maschine und Meßsystem mit einer gemeinsamen Systemmasse zu versehen.

Um die zweite Anforderung zu erfüllen,wird ein zweiter analoger Multiplexer 48 verwendet, der in Fig. 2 mit fr 2 bezeichnet ist und genau so wie der analoge Multiplexer aufgebaut ist und arbeitet. Der zweite Multiplexer 48 weist

ebenfalls eine Reihe von Schaltern G^, Gp G auf, von

denen jeweils eine Seite durch einen Leiter 48 parallel ange schlossen ist, der mit einem Widerstand R_c verbunden ist.

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Das andere Ende des Widerstandes R_ß ist mit dem Ausgang der Diskriminier- und Halteschaltung f 2 verbunden, welche den gleichen Aufbau und die gleiche Wirkungsweise wie die Diskriminier- und Halteschaltung Jt1 hat. Die positive Eingangsklemme der Diskriminier- und Halteschaltung ^2 ist durch einen Leiter 46 mit dem Ausgangsleiter 19 des Verstärkers U2 verbunden. Die negative Ausgangsklemme ist über den Widerstand R und den Leiter 47 mit der Masse des Gerätes verbunden.

Das andere Ende eines jeden Schalters G^, Gp G_n

des Multiplexers^ ist mit einem Ende eines veränderlichen

Regelwiderstandes R_x., Rp »^R _n verbunden. Es ist jeweils

ein Regelwiderstand für jeden Schalter vorhanden. Die anderen Enden der Regelwiderstände sind durch einen Leiter 3o parallel angeschlossen. Der Leiter 3o ist an seinem anderen Ende mit der Ausgangsklemme des Verstärkers U2 verbunden. Der in Fig. gezeigte Leiter 5o ist mit einem Ende an der Verbindung zwischen dem Schalter G und dem Widerstand R_c der Diskriminier- und Halteschaltung \2 angeschlossen. Das andere Ende des Leiters 5o ist mit der Anschlussklemme S des Verstärkers U2 verbunden.

Mit Hilfe dieser Schaltung kann der Ausgang des Verstärkers Ü2 angesteuert werden, um für jeden Wandler einen gleichgrossen Signalausgang Vg zu erzeugen, so dass das Spannungssignal V~ eine genaue Wiedergabe des absoluten Zylinderdruckes eines jeden untersuchten Zylinders ist.

Dies wird in folgender Weise erreicht·

Es wird angenommen, dass die untersuchte Maschine mit allen Zylindern normal läuft und richtig arbeitet. .

Wenn das Gerät in der vorstehend beschriebenen Weise mit der Maschine verbunden wird, werden die Multiplexer jf 1 und Jr

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an den Zylinder $ 1 geschaltet, das heisst^die Schalter G^ der beiden Einheiten befinden sich in ihrer Schließstellung, um den Wandler # 1 mit dem Ladungsverstärker U1 und den Multiplexer # 2 mit dem Verstärker 2 zu verbinden.

Ein geeignetes Messgerät, wie beispielsweise ein Oszilloskop wird dann mit dem Ausgang des Verstärkers U2 verbunden. Die Grosse und der Ausschlag des Spannungssignals Vp wird notiert und mit einem Messwert eines mechanischen Druckeiehgerätes verglichen.

In Fig. 2 ist eine den Zylinder auswählende Steuerung CS gezeigt, die ein Stufenschalter oder ähnliches sein kann. Die Steuerung CS kann dann betätigt werden, um die Schalter G,. des Multiplexers einer jeden Einheit t 1 und fe 2 nacheinander zu schliessen, um die zugeordneten Zylinder jf 1 § 2 #·η

nacheinander an das Meßsystem anzuschliessen. Die Grosse des Spannungssignals V« wird für jeden der aufeinanderfolgenden Zylinder J1» If2 fn notiert und wenn irgendein Signalwert unterschiedlich ist, kann der zugeordnete Regelwiderstand B^, Bp .....R eingestellt werden, um eine Korrekturspannung an die Klemme S des Verstärkers U2 anzulegen. Der Widerstand

R und der angeschlossene Regelwiderstand R^, R₀ R_

wirken in diesem Pail mit der Diskriminier- und Halteschaltung I2 auf dessen Masseanschluss wie ein Spannungsteiler, welcher eine Korrekturspannung erzeugt und über den Leiter 5o mit der Anschlussklemme S des Verstärkers U2 verbunden ist. Der Spannungsausgang des Verstärkers U2 wird daher am Anfang gleich den mechanischen Meßwerten gemacht. Die Diskriminier- und Halteschaltung ήτ 2 arbeitet in der gleichen Weise wie die Diskriminier- und Halteschaltung $Λ und hat den Zweck, jegliche Temperaturdrift von Vp zu korrigieren.

Der Spannungssignalausgang Vp des Verstärkers U2 ist daher eine genaue Wiedergabe des absoluten Druckes des ange-

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schloesenen und geprüften Zylinders· Wenn irgendein geeignetes Gerät an den Verstärkerausgang (Leiter 19) angeschlossen wird, kann das Signal Vp überwacht und aufgezeichnet werden, so dass jede Änderung sofort bemerkt und eine Korrekturmessnahme unternommen werden kann, um die die Änderung hervorrufende Bedingung zu korrigieren.

Wenn beispielsweise der Zylinderdruck in einem oder mehreren Zylindern sinken oder steigen sollte, wird diese Änderung sofort sichtbar, so dass sofort Massnehmen getroffen werden können, um die Ursache zu bestimmen und zu korrigieren ·

Es ist auch wünschenswert, in der Lage zu sein, den Kompressionsdruck (P comp) in jedem Zylinder zu überwachen und zu bestimmen, wenn der Zylinder geprüft wird. Die Grosse des Kompressionsdruckes zeigt an, ob irgendeine Störung beim Zylinder vorliegt.

Zu diesem Zweck wird eine Diskriminier- und Halteschaltung f3 verwendet, die in Fig. 1 gezeigt ist. Diese Diskriminier- und Halteschaltung kann einen herkömmlichen Aufbau haben, welcher dem in Fig. 7 gezeigten Schaltungeaufbau mit der Ausnahme entspricht, dass der Widerstand R beseitigt ist und der Ausgang des A. mit dem Eingang des A verbunden ist. Eine geeignete Diskriminier- und Halteschaltung, die für diesen Zweck zufriedenstellend ist, wird von der Harris Semiconductor unter der Modell Hr. HA 242o/2425 hergestellt.

Wenn das in Fig. 1 gezeigte System in Betrieb ist, ist der Eingang der Diskriminier- und Halteschaltung ^3 über einen Leiter 51 mit dem Ausgang des Verstärkers U2 verbunden, um den Spannungssignalauagang Vg des Verstärkers zu empfangen·

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Der Ausgang einer die Kompression zeitlich erfassenden Schaltung 17 ist über einen Leiter 55 mit dem Schaltereingang der Diskriminier- und Halteschaltung V 3 verbunden. Der Eingang dieser Zeitschaltung ist über einen Leiter 53 mit dem Punktionsgenerator 36 verbunden, der einen binären Down Counter 6o besitzt, wie dies in Fig. 3 A gezeigt ist. Bei dem vorliegenden System ist die Zeitschaltung 17 ein Bit Decoder , der in seiner vorliegenden Form ein "8" Bit Decoder ist, wofür später ""der Grund angegeben wird.

In der Praxis hat sich ein Signetics Model SN74LS138 Decoder bewährt.

Während des Betriebes, wie im nachstehenden noch näher erläutert werden wird, wird die Zeitschaltung 17 vom Drehimpulsgenerator 25 ausgelöst, um ein Impulssignal P, für jeden Zylinder in dem Augenblick zu erzeugen, in welchem die Grosse des Zylinderdruckes den Wert des Kompressionsdruckes erreicht hat, wie dies durch die Wellenform in Fig. 6 A gezeigt ist.

In diesem Augenblick wird der Impuls P, durch einen Leiter 55 en den Schaltereingang der Diskriminier- und Halteschaltung * 3 angelegt, die in der gleichen Weise wie die vorherbeschriebene Diskriminier- und Halteschaltung '1 arbeitet, um das Spannungssignal P (t) vom Ausgang des Verstärkers U2 austreten zu lassen. Das Spannungssignal P(t) ist zu diesem Zeitpunkt eine genaue Grosse des Spannungssignals, welches dem Wert des Kompressionsdruckes des untersuchten Zylinders entspricht.

Wenn der Ausgangsleiter 54 der Diskriminier- und Halteschaltung $ 3 an ein geeignetes Gerät, wie beispielsweise ein Voltmeter oder dergleichen, angelegt wird, kenn die Grösse des Kompreseionsdrucks angezeigt oder aufgezeichnet werden.

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as

Es ist auch wünschenswert, die Grosse des maximalen Zylinderdruckes eines jeden Zylinders zu messen. Der maximale Zylinderdruck zeigt irgendeine Störung im Zylinder an.

Beim vorliegenden System wird dies durch die Maximalanzeigeschaltung 18 und die Diskriminier- und Halteschaltung ff erreicht.

Die Diskriminier- und Halteschaltung ti 4 ist mit der Diskriminier- und Halteschaltung » 3 identisch. Die Eingangsschalterklemme der Diskriminier- und Halteschaltung f. 4 ist über einen Leiter 65 (Fig. 1 und 4) mit dem Ausgang der Maximalanzeigeschaltung 18 verbunden, wie dies auch in Fig. 4 gezeigt ist. Die Maximalanzeigeschaltung 18 weist einen herkömmlichen Funktionsverstärker U3 auf, dessen positive Eingangsklemme über den Leiter 51 mit dem Ausgang des Verstärkers U 2 verbunden ist, um hierdurch das Spannungssignal V₂ an den Funktionsverstärker U 3 anzulegen.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist der Ausgang des Verstärkers U3 über einen Widerstand R^ mit der Basiselektrode eines Transistor-Wechselrichters Q^ verbunden. Die Kollektorelektrode des Wechselrichters ist an die Eingangsschaltklemme der monostabilen Schaltung #3. angeschlossen. Eine Diode CR 1 ist zwischen die Ausgangsklemme und die negative Eingangsklemme des Verstärkers U3 geschaltet und wirkt wie eine Rückkopplungsdiode.

Wenn die äuesere Schaltung entsprechend der Darstellung mit dem Verstärker U3 verbunden ist, erzeugt der Verstärker U3während der ansteigenden Welle V₂, das heisst während des ansteigenden Ausgangsspannungssignals des Verstärkers U2, auch eine Ausgangsspannung V,, die ebenfalls proportional ansteigt. Während dieses Zeitraumes ist die Diode CR 1 vorge-

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spannt und führt die übliche Rückkopplungsfunktion aus.

In dem Augenblick, in welchem das Spannungssignal Vg seinen Maximalwert erreicht und dann zu fallen oder abzunehmen beginnt, wird die Diode CR 1 umgekehrt vorgespannt, wodurch die Rückkopplung unterbrochen wird und der Ausgang des Verstärkers U3 sofort auf einen niedrigeren Spannungswert fällt, um ein Impulssignal V₅. zu erzeugen, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Dieser negative Impuls V, geht dann durch den Wechselrichter Q₁ hindurch, in welchem er in ein positives Impulssignal V. umgewandelt wird, welches dann an die Eingangsklemme der monostabilen Multivibratorschaltung Ϊ 3 angelegt wird, die mit der monostabilen Schaltung ,? 1 identisch ist. Die monoetabile Schaltung jt 3 wird auf diese Weise ausgelöst,um ein Impulssignal P. zu erzeugen, das über einen Leiter 65 an die Eingangsschaltklemme der Diskriminier- und Halteschaltung angelegt wird.

In diesem gleichen Augenblick wird die Diskriminier- und Halteschaltung '* 4 durch den Impuls P. eingeschaltet, wodurch das Spitzenspannungssignal V₂ zu einem Ausgangsleiter 68 läuft, wobei es an ein geeignetes Anzeigegerät angelegt, abgelesen und aufgezeichnet werden kann. Die Maxiaalanzeigeschaltung 18 erhält jedesmal einen Impuls, wenn des Spannungssignal V₂ seinen Maximalwert erreicht, wobei die Diskriminier- und Halteschaltung f 4 wiederholt eingeschaltet wird, um das maximale· Spannungssignal V₂ jedesmal zur Ausgangsklemme 68 hindurchtreten zu lassen, wenn dieser Maximalwert erreicht wird.

Um die angezeigten Pferdestärken eines Jeden Zylinders zu messen, wird nun auf die Fig. 1, 3A und 3B Bezug genommen.

Es ist deshalb erforderlich, dass das vorliegende System in der Lage ist, den besonderen zu untersuchenden Zylinder

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auszuwählen und die angezeigten Pferdestärken dieses Zylinders zu messen·

Wie im vorstehenden erwähnt wurde, erzeugt der Drehimpulsgenerator 25 (Pig. 1) eine Impulsreihe von 512 Taktimpulsen und einen Markierungsimpuls pro Umdrehung der Neschinenwelle.

Der Ausgang der Taktimpulsreihe des Drehimpulsgenerators 25 ist über einen Leiter 9o mit der positiven Eingangsklemme eines !Comparators C^ verbunden, der einen Teil des Funktionsgenerators 36 darstellt. Der Markierungsimpuls wird über einen Leiter 92 an die negative Klemme des Einganges eines zweiten !Comparators C~ des Funktionsverstärkers 36 angelegt. Die restlichen Eingangsklemmen der Komparatoren C^ und Cp sind mit einer + 2,5 Voltquelle verbunden, wobei die Komparatoren die Impulseingänge an den Spannungswert klemmen und auf diese Weise die Impulseingänge rein halten, um Impulsausgänge mit einer genau rechteckigen Wellenform zu erzeugen, wie dies in Fig. 3 B gezeigt ist.

Der im vorstehenden erwähnte Drehimpulsgenerator 25 ist mit der Maschinenwelle verbunden. Die Generatorverbindung wird bei dem vorliegenden System do vorgenommen, dass der Markierungsimpuls in dem Augenbliok erzeugt wird, in welchem der Kolben f 1 seinen oberen Totpunkt im Zylinder erreicht hat. Es wird im nachstehenden euch* festgestellt, dass die Erzeugung des Markierungsimpulses mit irgendeinem Kolben der Maschine synchronisiert werden kann und dass das vorliegende Meßsystem in der gewünschten Weise die angezeigten Pferdestärken feststellt.

Der Zweck des Funktionsgenerators 36 ist, Werte für die Kolbengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle auf der Grundlage einer Winkelfrequenzeinheit, d.h. einer normalisierten Geschwindigkeitsfunktion zu entwickeln.

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Bei anderen Winkelfrequenzen wird die normalisierte Geschwindigkeit mit dem Winkelfreqqenzwert multipliziert, so dass man die wahre Kolbengeschwindigkeit erhält. Der Drehimpulsgenerator 25 dreht sich in der gleichen Richtung, wie die Kurbelwelle. Wie im vorstehenden erwähnt wurde, stehen zwei Ausgänge aus dem Generator zur Verfügung. Der eine Ausgang ist der Markierungsimpuls, der einmal pro Umdrehung der Kurbelwelle auftritt. Der andere Ausgang ist die Taktimpulsreihe, die aus einer Reihe von 512 Impulsen pro Umdrehung besteht. Der Generator ist so mit der Kurbelwelle verbunden, dass der Markierungsimpuls mit dem oberen Totpunkt des Kolbens i 1 zusammenfällt. Alle anderen Kolben erreichen daher ihren oberen Totpunkt entsprechend der vorbestimmten Zündfolge der betreffenden Maschine. Durch das Zählen der Taktimpulse ist es daher möglich vorherzusagen, wann jeder Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht.

Wie aus Pig. 3 A hervorgeht, ist der Ausgang der Taktimpulsreihe aus dem Komparator C^ durch einen Leiter 31 mit der Eingangsklemme (C) des Flipflopß 4o verbunden, der eine herkömmliche Bauform hat und eine ausgehende Taktimpulsreihe von 256 Taktimpulsen pro Umdrehung der Maschinenwelle erzeugt. Diese Taktimpulsreihe ist durch einen Leiter 43 mit der Takteingangsklemme "C" eines binären Down Counters des Funktionsgenerators verbunden, wie dies bei 60.gezeigt ist.

Der Markierungsimpulsausgang des Komparators C^ ist durch einen Leiter 44 mit der Rückstellklemme (reset terminal) des Flipflops4o verbunden, um das Rückstellen des Flipflops mit dem Markierungsimpuls zu regeln oder zeitlich festzulegen. Der Markierungsimpulsausgang wird über den Leiter 44 auch an die Ladungseingangsklemme "L" des binären Down Counters 60 angelegt.

Ein für diesen Zweck geeigneter, binärer Zähler ist der

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binäre (4-Bit)-Down Counter, Modell AM 93L66 der Advanced Micro Devices Inc. of Sunnyvale, Kalifornien. Beim vorliegenden System ist es wünschenswert, einen 8-Bit Binärausgang zu haben, weshalb zwei Down Counter verwendet werden, um acht Signaleingänge aus einem Angle Read Only Memory Decoder/Drive Device (ROM), unterzubringen, der mit dem Bezugszeichen 65 versehen ist und ebenfalls einen Teil des Funktionsgenerators 36 darstellt.

Der Eingang zum binären Down Counter 60 für die 256 Impulse aufweisende !Faktimpulsreihe hat die Aufgabe, den Down Counter auszulösen oder schrittweise zu ändern, wobei jeder Impulseingang den Down Counter um eine Stufe nach unten bringt.

Der in Fig. 3 A gezeigte, binäre Down Counter 60 hat acht Ausgangsklemmen, die zusammen 256 Binärausgänge (0-255) ergeben, die dem Eingang der Taktimpulsreihe (256 Taktimpulse) pro Umdrehung der Maschinenwelle entsprechen.

Dieser Zähler 60 ist daher in der Lage, eine Zahl (0-255) zu erzeugen, von denen Jede Zahl einer augenblicklichen Winkelstellung eines Kolbens in Bezug auf den Startpunkt der Taktimpulsreihe entspricht, was bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Augenblick der Fall ist, in welchem der Kolben # 1 seinen oberen Totpunkt erreicht hat.

Der binäre Down Counter 60 ist mit dem Eingang einer Func tion Read Only Memory (ROM) Decoder/Drive -Einrichtung verbunden, die in Fig. 3 A mit dem Bezugszeicben 75 bezeichnet ist.

Eine geeignete ROM-Einrichtung, die für das vorliegende Meßsystem verwendet werden kann, ist der 256-Bit Read Memory Decoder/Driver, Modell 11o3A, der Intel Inc.

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3tr

DieserFunction ROM Decoder/Driver 75 hat den Zweck, den binären Ausgang des binären Down Counters 60 anzunehmen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den Werten der normalisierten Geschwindigkeit des Kolbens des untersuchten Zylinders über eine volle Umdrehung entspricht. Dies wird dadurch erzielt, dass die Winkelstellung der Maschinenwelle auf den Kolben ^ 1 im Augenblick der Messung bezogen wird. Wenn der Kolben jf 1 beispielweise seinen oberen Totpunkt erreicht, wird der Markierungsimpuls aus dem Taktgenerator 25 in den binären Down Counter gegeben, ebenso wie die Taktimpulsreihe, welche an die Taktklemme (C) des Zählers angelegt wird.

Wenn der Angle Read Only Memory (ROM) Driver 65 auf den Zylinder t Λ eingestellt wird, wie im nachstehenden noch näher erläutert werden wird, ist das Ausgangssignal des Function rf)M Driver 65 binär nulJ, wenn sich der Kolben f 1 in seinem oberen Totpunkt befindet.

Das Ausgangssignal des Function ROM Drivers 75 lässt sich durch die nachfolgende Gleichung darstellen:

•f „ * - R

Hierin bedeutet

8 Bit Ausgang des' Binärzählers im Augenblick der Messung

χ 36o 256

ΐ - 1 " χ 360°

Bei diesem Function ROM Driver 75 ist das Eingengswinkelsignal jedesmal binär ^iU, wenn jeder Kolben seinen oberen oder unteren Totpunkt erreicht.

Zu Erläuterungszwecken sei angenommen, dass die über-809817/1003

wachte Maschine 12 Zylinder hat, wobei die Winkelbeziehung der Kurbelwelle zwischen benachbarten Kolben 3o° beträgt. Ferner sei angenommen, dass der Zylinder $ 12 zu überwachen und zu untersuchen ist und dem Zylinder I 1 in der Zündfolge folgt. Der Kolben ,» 12 erreicht seinen oberen Totpunkt nach einer Wellendrehung von 3o° nach dem Koben ^ 1.

Wenn der Kolben Ü 1 seinen oberen Totpunkt erreicht, wird der Markierungsimpuls des Taktgenerators 25 dem binären Down-Counter 6o zugeführt und die Tatkimpulsreihe beginnt mit dem Zahlen wie im vorstehenden erwähnt wurde.

, Der Angle ROM Driver 65 gibt jedoch dem Ausgang des binären Down Counters eine Zahl ein, die der Phasendifferenz von 3o° zwischen dem Kolben t 1 und dem Kolben $ 12 entspricht. Der Winkelabstand der Kurbelwelle von 3o° zwischen den benachbarten Zylindern der 12 zylindrigen Maschine entspricht ungefähr 2o Taktimpulsen in der 256 Taktimpulse aufweisenden Welle oder Taktimpulsreihe, wobei jeder Impuls einer Drehung der Kurbelwelle von 1,5 ° entspricht.

Wenn daher der Zylinder * 12 zu untersuchen ist, wird ein den 2o Taktimpulsen entsprechendes Impulssignal aus dem Angle ROM Driver 65 in den binären Down Counter 6o eingegeben.

Der Down Counter 6o zählt dann ausgehend von diesem den 2o Taktimpulsen entsprechenden Impulssignal bis binär null na oh unten. In diesem Augenblick befindet sich der Kolben t 12 in seinem oberen Totpunkt. Wenn dies eintritt, erzeugt der binäre Down Counter ein verzögertes Binärsignal, welches dem Winkel auf der Kurbelwelle zwischen dem Kolben * 12 und dem Kolben .=· 1 in dem Augenblick entspricht, in welchem sich der Kolben ,-' 1 in seinem oberen Totpunkt befindet.

Der Angle Read Only Memory Decoder/Driver 65 ist dem

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früher erwähnten Function ROM Driver 75 ähnlich und entsprechend der Darstellung in Fig. 3 A in der Weise abgewandelt,dass er bei A nur 4 Eingänge hat, die als Zylinderwahl (CS) bezeichnet werden und bis zu 16 Eingänge erzeugen können, die für eine 16-zylindrige Maschine ausreichend sind.

Eine Eingangsklemme B wird verwendet, um ein Signal in Abhängigkeit davon einzugeben, ob die Maschine vorwärts oder rückwärts läuft, um die richtige Folge der Eingangssignale zum Angle ROM Driver 65 zu erzielen.

Die Zylinderwahl (CS) kann an irgendeine geeignete, nicht dargestellte Schaltereinrichtung, beispielsweise an einen herkömmlichen Drehschalter angeschlossen werden, bei welchem ein jedem Zylinder entsprechendes Signal wahlweise an den Eingang des Angle ROM Drivers 65 angelegt werden kann.

Der Zweck des Angle ROM Drivers 65 besteht darin, einen Binär llUUauqpig im binären Down Counter 6o in dem Augenblick zu erzeugen, in welchem sich der untersuchte Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet.

Um dies zu erreichen, ist der Eingang zum Angle ROM Driver 65 dergestalt, dass ein Ausgang hieraus erzeugt wird, welcher dem Winkelabstand zwischen dem Kolben /f 1 und dem untersuchten Kolben f η entspricht. Bei der obigen Ausführungsform, d.h. bei einer 12-zylindrigen Maschine, beispielsweise beträgt der Winkelabstand auf der Kurbelwelle zwischen benachbarten Zylindern 3o° oder 2o Impulse des zum binären Down Counter 6o führenden Einganges der aus 256 Taktimpulsen bestehenden Taktimpulsreihe· Unter der Annahme, dass der Zylinder #12 der nächste nach dem Zylinder '- 1 gezündete Zylinder ist, stellt der Ausgang des Angle ROM Driver 65 den Winkelabstand von 3o° auf der Kurbelwelle oder einen zum binären Down Counter 6o führenden Zähleingang aus 2o Impulsen

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dar. Wenn der nächste Zylinder in der Zündfolge der Zylinder 4 5 ist, wird dem binären Zähler 6o ein Zähleingang aus 4o Impulsen zugeführt, welcher einem Winkelabstand von 6o° auf der Kurbelwelle zwischen dem Kolben £ 1 und dem Kolben H 5 entspricht. Andere Signaleingänge zum binären Zähler 6o aus dem Angle ROM Driver 65 fur die restlichen Zylinder der 12-zylindrigen Maschine können in ähnlicher Weise bestimmt werden.

Das Ausgangssignal aus dem Function ROM Driver 75 wird dann über einen Leiter 85 als ein Eingang dem Digital/Analog-Konverter 3o zugeführt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Das Spannungssignal V₂ das dem wellenförmigen Zylinderdruck P(t) des ausgewählten Zylinders entspricht, wird über einen Leiter 19 als zweiter Eingang dem Konverter 3o zugeführt.

Der Konverter 3o multipliziert dann diese beiden Eingangssignale (P (t) * f(Ausgang von Function ROM 75 )\ um einen Leistungswert für jeden Augenblick der Messung zu erzeugen. In der Praxis hat sich ein 12-Bit Digital/Analog-Konverter, Modell AD 562, der Analog Devices Inc. of Norwood, Massachusetts tür den vorgesehenen Zweck bewährt.

Wie aus Fig. 5 A hervorgeht, ist der Konverter 3o mit der negativen Eingangsklemme des Verstärkers Ü4 verbunden, wobei der Ausgang des Konverters 3o in geeigneter Weise verstärkt wird. Der Ausgang des Verstärkers U4 ist mit dem Schalter G. eines Schaltmultiplizierpaares (switching multiplier pair) verbunden, wobei der Ausgang des Schalters G^ an den Eingangsklemmenpunkt X einer Filtereinheit F₁ angelegt wird.

Der verbleibende Schalter G₂ des Multiplizierpaares ist zwischen dem Klemmenpunkt X und der Jfesse des Systems ange-

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3?

schlossen.

Die rechteckige Wellen Q,Q aufweisenden Ausgänge des monostabilen Multivibrators ff 4 (38) sind über Leiter 82, mit den Schaltern G. und Gp verbunden. Wie aus Fig 3 A hervorgeht, wird der monostabile Multivibrator ■? 4 durch den Q Ausgang des Flipflops 4o ausgelöst, der seinerseits vom Ausgang des Komperators C^ ausgelöst wird. Der Ausgang des Flipflops 4o ist daher eine 256 Impulse aufweisende Impulsreihe pro Umdrehung der Kurbelwelle der Maschine. Wenn dieser Ausgang an den monostabilen MuItivibi'ator ? 4 angelegt wird, entsteht an jeder Ausgangsklemme Q und Q ein Impulsausgang einer Reihe von 256 rechteckigen Wellenimpulsen mit umgekehrtem Vorzeichen und einer konstanten Breite pro Umdrehung der Kurbelwelle.

Die positive Impulsreihe (+B) der Ausgangsklemme Q wird an den Schalter G. angelegt, während die negative Impulsreihe (-B) der Klemme Q an den Schalter Gp angelegt wird. Diese beiden Impulsreihen bringen die Schalter abwechselnd in Schliesstellung, welche die Klemme X, d.h. den Eingang des Filters F^, abwechselnd mit dem Ausgang des Verstärkers 44 oder mit der Masse des Systems verbinden.

Jedesmal, wenn der Konverter 3o und der Verstärker U4 mit dem Eingang (Klemme X) der Filtereinheit F verbunden sind, d.h. 256 mal pro Umdrehung der Kurbelwelle, wird ein momentanes Spannungssignal erzeugt, dessen Wert gleich P (t) * f (Function ROM) ist. Dieser Wert stellt die Grosse der Zylinderleistung im Augenblick der Messung dar und folgt der Wellenform P (t), wie dies in Fig. 6 A gezeigt ist.

Dieses Spannungssignal wird dann an den Filter F^ angelegt, in welchem ein Durchschnittswert des Spannungssignals gebildet wird, um ein Spannungssignal P (Durchschnitt) zu er-

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zeugen, welches der angezeigten Pferdestärke des geprüften Zylinders entspricht.

Dieses Spannungssignal P (Durchschnitt) wird dann durch den Verstärker Ü5 verstärkt und in einer Filtereinheit F₂ weitergefiltert· Der sich ergehende Spannungssignalausgang P (Durchschnitt) steht an der in Fig. 5 A gezeigten Ausgangsklemme T zur Verfugung, die mit irgendeiner geeigneten Ableseinrichtung,beispielsweise einem analogen Typometer, verbunden sein kann, das so geeicht ist, dass sich angezeigte Pferdestärken ablesen lassen.

Venn das vorliegende System erstmalig eingebaut wird, wird der Ausgang des Verstärkers U5 geeicht, um einen bekannten Spannungssignalausgang fur einen gegebenen PS-Ausgang der Maschine zu erzeugen. Wenn man beispielsweise die Art und die Betriebsparameter der Maschine kennt, kann man die Maschine bei einer bestimmten Drehzahl laufen lassen, um die Pferdestärken gemäss der Auslegung, beispielsweise 1ooo PS zu erzeugen. Der Spannungssignalausgang an der Klemme T wird dann gemessen und die Werte der Komponenten RC der Filtereinheit Fp sowie des veränderlichen RÜckkopplungs-Regelwiderstandes Rj₁ können dann gewählt werden, um eine Normgrösse oder vorgegebene Grosse des Spannungsausgangssignals für die Pferdestärke zu erzielen, was dann der Bezugswert fur das Spannungssignal für das System ist. Danach werden alle Spannungswerte auf diesen Bezugswert für das Spannungssignal bezogen.

Die Zylinderwahl CS kann manuell oder automatisch betätigt werden, um dem Angle ROM Driver 65 für jede vorgewählte Zeitspanne auszulösen, wobei irgendein vorbestimmter Zylinder in dieser vorbestimmten Zeitspanne■überprüft und untersucht werden kann.

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Es wird nun auf Fig. 3 A Bezug genommen. Die bereits früher erwähnte, die Kompression zeitlich erfassende Schaltung 1?» weist einen 8-Bit Decoder auf, der mit dem Ausgang des binären Down-Counters 6o über eine Leitung 53 verbunden ist. Dieser Decoder stellt die Anwesenheit einer bestimmten Binärzahl am Ausgang dieses Zählers 6o fest.

Diese bestimmte Binärzahl ist eine gewählte Zahl, die am Ausgang des Zählers 6o in dem Augenblick erscheint, in welchem der Kolben in jedem Zylinder den Wert des Kompressionsdruckes (P comp) erreicht, wie dies in Fig. 6 A gezeigt ist, wobei die gleiche Binärzahl am Ausgang des Zählers 6o während der Überprüfung und Untersuchung eines jeden Zylinders erscheint.

Ein für diesen Zweck geeigneter und im Handel erhältlicher 8-Bit-Decoder ist das Modell SN74LS138 der Texas Instruments or Signetics Inc., von denen zwei den 8-Bit-Decoder aufweisen.

Nachdem die ausgewählte Binärzahl am Decoder Eingang erschienen ist, wird dieser ausgelöst, um einen Impulsausgang P, zu erzeugen, welcher, wie bereits erwähnt, über den Leiter 52 an den Eingang der Diskriminier- und Halteschaltung f 3 angelegt wird, wobei diese Schaltung ausgelöst wird und das Spannungssignal P (t) in diesem Augenblick zu ihrem Ausgang und daher zum Ausgangsleiter 54 für den Anschluss an ein geeignetes Messgerät hindurchlaufen lässt,.um das Spannungssignal anzuzeigen und aufzuzeichnen, welches in diesem Augenblick dem Kompressionsdruck des untersuchten Zylinders entspricht.

Das vorliegende Meßsystem gestattet auch die Messung der Drehzahl der Kurbelwelle.

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Zu diesem Zweck wird der Impulsreiheneingang Q, 7$ aus dem monostabilen Multivibrator ff 4 (38) an ein zweites Paar von Schaltmultiplikatoren G, und G. gemäss Fig. 5 A angeschlossen. Diese Schaltmultiplikatoren sind zwischen einer geeigneten Spannungsquelle, beispielsweise + 15 Volt Gleichstrom und der Masse des Systems angeschlossen·

Der Eingang (Klemme L) einer herkömmlichen RC-Filtereinheit F ist zwischen den Schaltmultiplikatoren G, und G. angeschlossen.

Bei dieser Schaltung wird die eine positive und konstante Breite aufweisende Impulsreihe Q an den Schaltmultiplikator G, angelegt, um den Schaltmultiplikator G, für die Dauer der Impulse der Impulsreihe in den geschlossenen Zustand zu bringen, während die negative Impulsreihe Q in ähnlicher Weise mit dem Sohaltmultiplikator G. verbunden wird und den Schaltmultiplikator G. in gleicher Weise in seine Schliesstellung bringt.

Das abwechselnde Schliessen der Schaltmultiplikatoren G, und G. ergibt en der Klemme L einen Impulsreihenausgang, dessen Grosse zwischen + 15 Volt Gleichstrom und der Masse in Abhängigkeit von der Zyklusgeschwindigkeit beim Offnen und Schliessen der Schaltmultiplikatoren G, und G. schwankt. Dieses Ausgangssignal der Impulsreihe geht durch die Filtereinheit F, hindurch, wobei das Spannungssignal auf einen durchschnittlichen Wert gebracht wird und die Drehzahl der Kurbelwelle darstellt·

Beim erstmaligen Aufbau des Meßsystems gemäss der Erfindung lässt man die Maschine bei einer bekannten Drehzahl laufen. Die Grosse des Ausgangsspannungssignals aus der Filtereinheit F- wird notiert. Die Breite des Impulsausganges des monostabilen Multivibrators $ A wird so eingestellt, dass «ine gewünschte Grosse des Spannungssignals entsteht. Danech wird

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die Grosse des Spannungssignals in direkter Abhängigkeit von einer Änderung der Drehzahl der Maschine schwanken. Irgendein geeignetes, an das Ausgangsspannungssignal angeschlossenes Gerät kann verwendet und nach der Drehzahl geeicht werden, um direkte Ableswerte für die Drehzahl zu erzielen.

Es lässt sich nun feststellen, dass der Funktionsgenerator 36 des Systems gemäss der Erfindung die Messungen der vorstehend beschriebenen Parameter für jeden ausgewählten Zylinder, d.h. die angezeigte Pferdestärke, den Verbrennungsdruck und den Kompressionsdruck in Abhängigkeit vom Wandler des gewählten Zylinders automatisch synchronisiert.

Die Erfindung schafft somit ein elektronisches Meßsystem zum überwachen und Messen der angezeigten Pferdestärken einer Kolbenmaschine, die eine Maschine mit Zündkerzenzündung, eine Dieselmaschine, Dampfmaschine oder irgendeine andere Kraftmaschine mit zwei oder mehr Arbeitstakten sein kann. Die angezeigte Pferdestärke wird für jeden Zylinder der Maschine aufeinanderfolgend berechnet und auf der Grundlage der Messungen des Zylinderdruckes und des Drehwinkels der Kurbelwelle in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt. Das System gemäss der Erfindung eignet sich auch zum Messen der Drehzahlen pro Minute der Maschinenwelle sowie zum Messen des Verbrennungsdruckes und des Kompressionsdruckes kurz vor der Zündung.

Wenn also das im vorstehenden beschriebene Meßsystem mit einer Maschine verbunden wird, lässt sich die angezeigte Pferdestärke pro Zylinder, der Kompressionsdruck im Zylinder, der Maximaldruck im Zylinder und die Drehzahl der Kurbelwelle bestimmen.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Elektronisches Meßsystem zum Überwachen und Messen der Betriebsgrössen einer mehrzylindrigen Maschine mit einem zyklisch antreibbaren Element, das an alle Kolben der Maschine anschliessbar ist, gekennzeichnet durch eine Wandlereinrichtung zum Abtasten des inneren Zylinderdruckes in jedem Zylinder der Maschine und zum Erzeugen eines ersten Signals, welches der Druckänderung entspricht; eine erste Schaltungs-einrichtung zum Erzeugen eines ersten Spannungssignals, das den Druckänderungen in einem ausgewählten, untersuchten Zylinder proportional ist; eine erste Schaltereinrichtung, die zwischen der Wandlereinrichtung und der ersten Schaltungseinrichtung angeschlossen ist, um die Wandlereinrichtung eines jeden ausgewählten Zylinders nacheinander an die erste Schaltungseinrichtung anzuschliessen, um die Untersuchung des ausgewählten Zylinders zu ermöglichen, wobei das erste Spannungssignal für jeden ausgewählten Zylinder erzeugt wird; eine zweite Schaltungseinrichtung, die mit der ersten Schaltungseinrichtung geschaltet ist und das erste Spannungssignal in vorbestimmten Zeitintervallen abgreift und ein zweites Spannungssignal entwickelt, das an die erste Schaltungseinrichtung angelegt wird, um das erste Spannungssignal abzuwandeln, so dass es proportional dem absoluten Druck ist; Einrichtungen zum kontinuierlichen Abtasten der relativen Winkelstellung des antreibbaren Elementes und zum Erzeugen eines zweiten Signals, welches die Winkelstellung angibt; eine dritte Schaltungseinrichtung, die mit der Abtasteinrichtung verbunden ist, um ein drittes Digitalsignal zu entwickeln, welches die lineare Geschwindigkeit des Kolbens des ausgewählten Zylinders darstellt; eine vierte Schaltungseinrichtung, welche mit der ersten Schaltungseinrichtung verbunden ist, um das erste Spannungssignal mit dem dritten Digitalsignal zu multiplizie-

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ren, um ein viertes Signal zu entwickeln, welches die augenblickliche Pferdestärke des ausgewählten Zylinders darstellt; und eine fünfte Schaltungseinrichtung, die mit der vierten Schaltungseinrichtung verbunden ist, um das vierte Signal auf einen Durchschnittswert zu bringen und ein zweites Spannungssignal zu erzeugen, welches die angezeigte Pferdestärke des ausgewählten Zylinders darstellt.

2. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen des zweiten Signals eine erste Signalverstärkereinrichtung aufweist.

3. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Erzeugen des dritten Signals eine Takteinricbtung aufweist, welche eine Vielzahl von Impulsen in einer vorbestimmten Form erzeugt, und dass jeder Impuls einen bestimmten Portschritt der Bewegung des antreibbaren Elementes darstellt.

4. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Takteinrichtung mit dem antreibbaren Element verbindbar ist und die zyklische Bewegung des antreibbaren Elementes abtastet.

5. Elektronisches Heßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schaltungseinrichtung eine Einrichtung zum Synchronisieren des ersten Signals mit dem dritten Digitalsignal aufweist.

6. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abtasten der Lage des bewegbaren und antreibbaren Elementes in dem Augenblick, in welchem der Druck in der Maschine den Wert des Kompressionsdruckes erreicht.

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7. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Abtasten der Lage des bewegbaren und antreibbaren Elementes in dem Augenblick, in welchem der Druck in der Maschine den Wert des Verbrennungsdruckes erreicht.

8. Elektronisches Meßsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung sum Bestimmen der Geschwindigkeit der zyklischen Bewegung des antreibbaren Elementes.

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