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Verfahren zur sateratischen Überwachung
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eines Drenzaal-Grenzwertes Die Erfindung betrifft Verfahren, mit
benen Schaltungen zur digitalen Überwackung auf Überdrehzahl gegen Fehler in Bauelementen
sicher gemacht werden.
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Bei vielen, insbesondere Antrichs-Maschinen, zieht man mit der Fertigungsauslegung
so dicht an die Grenzwerte, daß die zulässige Überdrehzahl nur wenig iiber der Nenudrehzanl
liegt. Zur Vermeidung gefährlicher Drehzahlen wird eine sehr genaue und zuverlässige
ansprechende Überwachungseinrichtung benötigt.
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Bekannte Drehzahlwächter haben Oh aus den Reihen mechanischer Fliehkraftgeräte
(z.B. Schnellschlußauslöser) und den elektrischen Drehzahlmessern (z.B. Tacbo-Generatoren)
entwickelt. Digitale Drehzahlüberwachungen wurden aus vorhandenen Drehzahl-Meßgeräten
aufgebaut.
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Die digitalen Uberwachungs-VoIr-clitungen gehen üblicherweise von
der Vorstellung aus, daß die Anwendung der Digitaltecnnik an sich bereits die Zuverlässigkeit
ausreichend verbessert. hinsichtlich der Gesamtanlage bedeutet Zuverlässigkeit der
Drehzahlüberwachung jedoch die konsequente Ausschaltung von Fehlern, die zur Blockierung
eines hbschaltsignals Führen können. Bei derartigen Maßnahmen wird im allgemeinen
die Verfügbarkeit der Gesamtanlage durch unnötige Abschaltungen beeinträchtigt.
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Diese Probleme überwindet das Verfahren, das Gegenstand dieser Anmeldung
ist, durch konsequente Anwendung von Zuverlässigkeits-Überlegungen bei der gesamten
Schaltungsauslegung. Es werden alle denkbaren Bauelemente-Fehler, die zu gefährlichen
Blockierungen des Abschaltsignals führen können, entweder selbst in Abschaltsignale
umgeformt oder derart überwacht, daß besondere Störungssignale erzeugt werden können.
Die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für unnötige Abschaltungen wird dadurch vermieden,
daß die Signale der aus Sicherheitsgründen sowieso mehrfach vorhandenen Meßkanäle
in einer Auswahl schaltung zusammengefaßt werden. Da Unterbrechungen bei den in
Frage kommenden Schaltungen die größte Wahrscheinlichkeit haben,
wird
grundsätzlich ein Ruhestromsignal für die Abschaltung verwendet, so daß alle Unterbrechungen
zu einer Abschaltung führen (failsafe-Verhalten). Mit IJfe einer Sicherung ist es
möglich, auch einen Kurzschluß in eine Unterbrechung umzuformen. Von der Nöglichkeit,
die Zuverlässigkeit dadurch zu verbessern, daß die Abwesenheit eines Abschaltsignals
durch ein dynamisches Signal, z.B. eine Impulsfolge, dargestellt wird, braucht wegen
der Einfachheit der Schaltung im vorliegenden Hall nicht erdet zu werden. Da die
digitale Drehzahlmessung suP eine Zeitmessung über lmpulszählung zurückgeführt wird,
kann das Ausbleiben der 7ählimpulse, bzw. das iiicnt-Erreichen des vorgegebenen
Zählerstandes, dazu benutzt werden, ein Abschaltsignal auszulen. i den Bauelemente-Fehlern,
bei denen die direkte Erzeugung eines Abschaltsignale nicht ohne weiteres möglich
ist, erfolgt eine automatische Überwachung für eine Störungssignalisierung. Diese
Störungssignalisierung kann auch zu einer automatischen Schaltung benutzt werde
Zur Vermeidung unnötiger Abschaltungen der Gesamtanlage infolge falscher Abschaltsignale
werden die aus Sicherheitsgründer vervielfachten Drenzahl-Meßkanöle in einer Auswahlschaltung
derait zusammengefaßt, daß das Abschaltsignal erst dorn zu einer Abschaltullg fdjjrt,
wenn das ir mehr als einem Kanal vorli@@, zwei Kanälen bei insgesamt drei vorhandenen
Kanälen. Bei einer de teigen Anordnung ist es auch möglich, Störungssignale, die
auftreten, wenn die Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl liegt, zu unterdrücken.
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Der Erfindungsgedanke wird anhand eines Beispiels erläutert, für das
in Fig. 1 ein Übersichts-Schaltplan gezeigt wird.
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In diesem Schaltplan sind die einzelnen Komponenten mit arabischen
Zahlen bezeichnet.
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Auf der linken Seite ist it (1) die Welle bezeichnet, deren Drehzahl
überwacht werden soll und die hierzu Schlitze (2) oder andere sprungartige Übergänge
der Fermeabilitäts- oder die Dielektrizitäts-Konstanten enthält. Die in der Zeichnung
dargestellten Schlitze erzeugen in der Aufnehmerspule (3), die mit einem Permanentmagneten
ausgerüstet sein kann, elektrische Intpulse, Die Spule ist als Transformator ausgebildet,
wobei die zweite Spule zur Einkopplung der
Zählimpulse dient, die
vom Impulsgenerator (4) erzeugt werden. Die Sicherung (5) dient dazu, Kurzschlbsse
in der Spule in eine Unterbrechung u...zuformen, so daß sie eine Abschaltung auslfßsen.
Unterbrochen wird dabei die konstante {orspannung, deren Erzeugung im Utbersichts-Schaltbild
durch eine Gleichspannungsquelle (6) angedeutet ist.
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Hinter der Spule wird das aus Rotations- und Zähl-lmpulsen bestehende
Signal -it hilfe eines o(hpasses (7) und eines Tiefpasses (R) wieder in seine Bestandteile
zerlegt.
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Die hinter dem Rochpass vorliegenden Zählimpulse werden in einem Zähler
(9), der als 8 bit-Zähler mit invertierten Ausgängen und uberlaufsignal dargestellt
ist, gezählt. Der Anschluß des Zählers zum Zurücksetzen auf Null wird über die fiegation
(10) mit dem Spulenausgang verbunden.
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An den Zählerausgängen ist die Kombination der einzelnen Zählsturen,
de 456 Zählimpulsen entspricht, fest verdrahtet. Die Ausgange der einzelnen Stufen
werden in dem UND-Gatter (11). bzw. die invertierten Ausgänge in dem NOR-Gatter
(12) zusammengefaßt. Die Ausgänge dieser beiden Gatter werden zur Erhöhung der Zuverlässigkeit
in dem Gatter (13) zusammengefaßt. Dieser Ausgangsimpuls bringt die 4ppstufe (14)
in die Lage, in der sie einen Dsuerimpuls an das Ausgangs-ODER-Gatter (15) abgibt.
Der andere Eingang dieses ODER-Gatters ist mit dem Ausgang des Tiefpasses (8) verbunden.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens wird anhand der Fig.1 erläutert.
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Zum leichteren Verständnis werden Zahlenwerte benutzt, die jedoch
nur beispielhafte Bedeutung haben.
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Die Luftspalte oder sonstigen Änderungen der Permeabilitäts- oder
Dielektrizitäts-Konstanten sind an einem passenden Stück der Welle angeordnet. Vier
derartige Luftspalte sind um je 90° gegeneinander versetzt und so lang, daß axiale
Verschiebungen der Welle infolge von Wärmeausdehnungen keine Änderungen der Lage
verursachen. Gegenüber den Luftspalten sind die Aufnehmerspulen (3) in einem derartigen
Abstand von der Welle angeordnet, daß radiale Verschiebungen der Welle, z.B. durch
Unwucht, nicht zu einem Anschleifen führen. Damit läuft z.B. bei einer Drehzahl
von 1500 Upm, d.h. bei 40 ms/U an der
Spule alle 10 rns ein Luftspalt
vorbei. Bei einer Überdrehzanl von 110 ,o beträgt die Zeit zwischen zwei Luftspalten
'-),1 ms.
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Die Spulen (5) enthalten eine zweite Wicklung zur Einkopplung von
Zäilimpulsen. Der Generator für diese Zählimpulse erzeugt 50000 Tmp/s, entspiechend
einer Impulsfolge von 20 es. D.h. bei ttenndrezall (1500 Upm) liegen zwischen zwei
Spulenimpulsen, die im Abstand von 10 ms kommen, 500 Zählimpulse.
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Um zwischen den Z-ahlimpulsen und den Spulenimpulsen leichter uiskriminieren
zu können, wird die Abfragespule mit einer Gleichspannung hochgelegt. Diese Gleichspannung
sollte kleiner als die Amplitde der Spulenimpulse bei Nenndrehzahl sein. Sie soll
dazu dienen, daß die negativen Jpulenimpulse zu einem Nulldurchgang führen. Die
Sicherung (5) sorgt dafür, daß bei einem Spulenkurzschluß das gleiche Signal wie
bei Durchgang eines Schlitzes erzeugt wird, so daß das Abschaltsignal nicht blockiert,
sondern simuliert wird.
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Voraussichtlich ist es notwendig, vor den Eingang des Zählers einen
Hochpass einzufügen, um Störungen durch die Spulenimpulse vom Zähler fernzuhalten.
Umgekehrt ist voraussichtlich ein Tiefpass nötig, um das Ausgangsgatter t5) nur
durch die Spulenimpulse zu beeinflussen und nicht möglicherweise durch die Zählimpulse
zu stören.
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Das Ausgangsgatter (,5) leitet die Unterbrechung des Ruhestroms infolge
des negativen Spulenimpulses auf die Abschaltleitung weiter, falls nicht vorher
der andere ODER-Eingang Signal führt. Der Ruhestrom rührt von der Vorspannung (6),
die an der Aufnehmerspule (3) zugefügt worden war.
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Das Signal am anderen Eingang des genannten ODER-Gatters macht den
Unterbrechungsimpuls von der Spule unwirksam, falls er spät genug, d.h. später als
9,1 ms nach dem letzten Spulenimpuls eintrifft. Das Signal wird von einem Flip-Flop
(14) erzeugt, das von der Ausgangsschaltung eines 8 bit-Zählers gesetzt wird. Der
8 bit-Zähler (9) erreicht bei 50 000 Imp/s die Zeit von 9,1 ms (entsprechend 110
% der Nenndrehzahl )bei 456 Impulsen.
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Um den Zähler beim Eintreffen der nächsten Spulenimpulse wieder auf
Null zurückzusetzen, muß dieser invertiert wurden, falls der Zähler einen normalen
Reset-Eingang besitzt.
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Bei den erwähnten 4 mpulser virus oin Signal dadurch erzeugt, daß
die entsprechenden Ausgänge des 8 bit-Z-idlers mit einem UND-Gatter zusammengeschaltet
werden. Zur Erhbliung der Zuverlässigkeit werden hierbei auch die komplementiren
Ausgänge benutzt und entsprechend auf ein NOR-Gatter geschaltet.
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Da die Gatter zusätzliche Fehlermöglichkeiten enthalten, ist eine
Überwachungsschaltung vorgesehen, auf die weiter unten näher eingegangen wird.
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Der Impuls von den Gattern hinter den Zählern wird in dem Flip-Flop
(14) gespeichert, so daß von dem Zeitpunkt 9,1 ms nach dem letzten Spulenimpuls
ein Dauersignal auf das letzte ODER-Gatter (15) gegeben wird. Dieses Flip-Flop (14)
muß beim Eintreffen des nächsten Spulenimpulses gleichzeitig mit dem Rcset-Signal
zurückgesetzt werden, um Blockierungen bei Störungen in der Negation zu verhindern.
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Zur tiberwachung des Rücksetzens wird der für die Abschaltung nicht
benutzte komplementäre Ausgang des Flip-BloDs (14) benutzt. Falls er noch nach den
ersten Zählimpuls kein Signal führt, wird ein Alarm gegeben. Hierzu wird der komplementire
Ausgang einer niedrigen Impulszahl des Zählers (9) verwendet.
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Die Schaltung wurde in erster Linie fail-safe gegen gefährliche Blockierungen
des Abschsltsignals ausgelegt. für einfache Signale ist das bei komplementären Fehlern
eines Bauelementes im allgemeinen nur mit zusätzlichem Aufwand möglich. Aus diesem
G-runde wurde eine geeignete Signalform vorgesehen. Der hierfür notwendige Aufwand
wurde so klein wie möglich gehalten, da jedes zusätzliche Bauelement, entsprechend
seiner Ausfallrate, auch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Systems erhöht. Ruhestromschaltungen
sind gegen Kurzschlüsse mit der Versorgungsleitung empfindlich, so daß aktive Elemente
möglichst zu vermeiden sind. Wo dies nicht möglich ist, müssen diese Fehler, besonders
Emitter-Collector-Kurzschlüsse an Transistoren (Durchlegieren) selbstmeldend gemacht
werden.
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Die Verwendung einer dynamischen Überwachung, in dem das Ruhestromsignal
durch eine Impulsfolge ersetzt wird (dynamisches Schutzsystem) erschien wegen der
Einfachheit der Schaltung im vorliegenden Fall nicht angebracht.
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Wird zur Erhöhung der Sicherheit einer Schaltung gegen gefährliche
Blockierungen das System so ausgelegt, daß die entsprechenden Fehler unnötige Abschaltungen
verursachen (fail-safe-Verhalten), so steigt selbstverständlich die Wahrscheinlichkeit
unnötiger Anlage-Schaltungen. Da die Drehzahlübermachung aus Zuverlössigkeitsgründen
sowieso mehrfach ausgelegt weiilc maß, kann sie z.B. bei einer Verdreifachung mit
einer 2von3-Auswahlschaltun betrneber werden. Dabei führen Abschaltsignale aus den
Einzelkanälen nicht mehl zu einer Abschaltung der Anlage.
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In Fig. 1 ist weiterhin noch beispielsweise dargestellt, wie Signale
fiir verschiedene Bauele;ti£ntefehler erzeugt werden können, wenn die Herstellung
des fail-safo-Verhaltens auf anderem Wege nicht möglich oder zu aufwendig ist. Diese
Signale können als Meldungen oder aber auch für automatische Umschaltungen, bzw.
Abschaltungen benutzt werden.
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Hierzu gehören die folgenden Dauelcmlente: Das NOR-Gatter (16) zur
Überwachung des Zurücksotzens des Zählers (9) durch den Rotations-Impuls. Das NAND-Gatter
(17) und das UND-Gatter (18) zur Überwachung der richtigen Abfrage de Zählerstandes,
sowie eine Schaltung im Zusammenhang nit doir Überlaufsignal bei Verwendung mehrerer
Zählkanäle.
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Diese Schaltung besteht aus der Kippstufe (20), dem Verzögen ngsglied
(21) und einer Verzögerungszeit von maximal G,1 s und dem UND-Gatter (22). Die Kippstufe
(20) wird über das ODER-Gatter (19) von den Uberlaufsignalen der redundanten Kanäle
beaufschlagt.
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Bei der Beschreibung der kippstufe (14) wurde die Überwachung des
Rücksetzens des Zählers (9) heim Eintreffen eines Rotations-Impulses bereits erwhnt.
Hierzu wird festgestellt, ob bei niedrigeren Zähler inhalten die Kippstufe (14)
zurückgesetzt ist. In Fig.1 ist dies durch die Überwachung der zweiten Stufe des
Zählers (9) dargestellt, die zusammen mit dem komplementären Ausgang der Kippstufe
(14) auf das NOR-Gatter (16) geschaltet ist. Mit diesem Impuls kann eine Alarmmeldung
ausgelöst werden oder aber auch eine automatische Umschaltung.
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Die Überwachung der richtigen Signalisierung des vorgegebenen Zählerstandes
erfolgt durch einen Vergleich der Ausgangssignale der Gatter (11) und (1?) in Vertindung
mit dem Ausgangssignal des Gatters (13).
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Ein Signal soll dann ausgelöst werden, wenn das Gatter (13) einen
Impuls abgibt, der zur Überbrückung des Abschaltsignals führt, ohne daß ein Impuls
vom Gatter (11) oder vom Gatter (12), oder weder vom Gatter (11) noch vom Gatter
(12) vorliegt. Wenn das Gatter (13) keinen In;Iluls führt, wird keine Alarmsignalisierung
benötigt, Die entsprechend Logiktabelle wird realisiert durch das NAND-Gatter (17)
für die beiden -usgange der Gstter (11) und (12) und das UND-Gatter (18) für die
Ausgänge der Gatter (17) und (13).
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Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit können die Signale der Gatter (11)
und (12), bzw. der Ausgänge eines einfachen Zählers, anstelle der Ausgänge eines
komplementären Zählers selbstverständlich auch dynamisch überwacht werden, jedoch
erscheint der Aufwand in diesem Zusaminenhang hierfür zu groß.
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Eine Unterbrechung der Negation (10) für das Zurücksetzen des Zählers
(9), sowie die Jberbrückung einer Zählstufe in dem Zähler (9) führen dazu, daß bei
Betrieb mit Nenndrehzahl der Zähler überläuft, falls das Überlaufsignal gegeben
wird, bevor das Doppelte der eingestellten Impulszahl erreicht ist. Beim vorliegenden
Beispiel wird ein Überlauf signal bereits gegeben, wenn die Drehzahl 2,4 * unter
der Nenndrehzahl liegt. Damit führen die erwähnten beiden Fehler mit Sicherheit
zu einem uberlaufsignal, das zur Störungsmeldung oder zu einer automatischen Schalthandlung
benutzt werden kann. Dieses Uberlaufsignal erfolgt selbstverständlich unterhalb
der betreffenden Drehzahl in jedem Einzelkanal, d.h. insbesondere beim Start. Eine
Unterdrückung dieses Signals ist bei Verwendung mehrerer Meßkanäle ohne Schwierigkeiten
möglich, wie weiter unten erläutert wird.
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Da es nicht zulässig ist, mit einer funktionsunfähigen Drehzahl-Uberwachungseinrichtung
Betrieb zu machen, muß die Maschine stillgesetzt werden, falls sie nur mit einer
einzigen solchen Einrichtung ausgerüstet ist. Um nicht bei jeder Reparatur eine
derartige Verfügbarkeits-Einschränkung in Kauf nehmen zu müssen, werden derartige
Überwachungseinrichtungen, die vollständig fail-safe sind, mindestens doppelt vorgesehen,
üblicherweise jedoch sogar dreifach,
um die Ausgangssignale i einer
Auswahlschaltung, z.B. 2von3-Schaltung, kombinieren zu können.
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Bei Verwendung derartiger Auswahlschaltungen ist es möglich, das eben
beschriebene Störungssignal bei niedrigen Drehzahlen, insbesondere beim Start, zu
unterdrücken. In Fig.1 ist als Beispiel die Ausrüstung mit drei gleichen Meßkanälen
dargestellt, die dann in einer 2von3-Auswahlschaltung kombiniert werden können.
Der Grundgedanke ist der, daß bei niedrigen Drehzahlen, bzw. beim Stillstand, das
Uberlaufsignal in allen drei Meßkanälen gleichzeitig, bzw. fast gleichzeitig, auftreten
muß und ein Alarmsignal lediglich gegeben zu werden braucht, falls ein Überlaufsignal
nur in einem Meßkanal allein festgestellt wird.
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Diese Funktion kann durch eine Schaltung realisiert werden, wie sie
mit den Bausteinen (19) bis (22) in Fig.1 für einen Meßkanal dargestellt ist. Das
Überlaufsignal des Zählers (9) kann wegen des WID-Gatters (22) nur dann verzögert
zu einem Alarmsignal führen, wenn in keinem der anderen Meßkanäle innerhalb der
Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes (21) ein Überlauf vorliegt. Die Signale
der beiden anderen Kanäle werden in dem ODER-Gatter (19) zusammengefaßt und setzen
die Kippstufe (20) zurick, wenn sie ein Überlaufsignal führen.
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Wenn die Überwachungs-Anlage bei stehender Maschine eingeschaltet
wird, so gibt es in jedem Meßkanal nach 10,25 ms ein Überlaufsignal.
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Wenn das Verzögerungsglied (21) auf eine längere Zeit eingestellt
ist, führt dieses Überlaufsignal nicht zu einem Alarm. Das gleiche trifft zu, wenn
bei langsam drehender Maschine nach wie vor Überlauf signale aus allen drei Kanälen
vorliegen. Bei Erreichen der Drehzahl, die der Zählerkapazität entspricht, kann
es jedoch vorkommen, daß wegen der Digitalisierungsfehler nicht in allen drei Kanälen
hintereinander das Überlaufsignal verschwindet. Um eine Unnötige Alarm-Signalisierung
zu vermeiden, wird deshalb die Verzögerungszeit des Bausteins (21) auf eine längere
Zeit, z.B. 0,1 s, eingestellt, da auch eine so lange Zeit für die Alarm-Signalisierung
durchaus ausreicht.
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Scnließlich ist in Fig.1 noch die moglichKeit einer Prüfung der richtigen
Crenzwert-Signalisierung als Beispiel angegeben. Hierzu dient ein UND-Catter (24)
in der Zuleitung der Impulse zur Aufnehmerspule, an dessen invertierterl Eingang
ein Ringzähler (23) angeschlossen ist, dessen Impulszahl mit einem chalter verstellt
werden kann. Im Beispiel betragen die ssinstellbaren Impulse 0 und 8...12, entsprechend
Uberdrehzahlen von 8...12 % der Nenndrehzahl.
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Während des Normalbetriebes muß sich der Wählschalter in der Stellung
0 Impulse" befinden, damit die normale Impulsfrequenz der Aufnehmerspule und damit
dem Zähler (9) zugeleitet wird. In diesem Fall gibt der Ringzähler (23) keinen lmpuls
ab und das UND-Gatter (24) ist leitend.
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Zur Prüfung wird der Impuls-Wal.lschalter hochgedreht, so daß der
Ringzähler bei jedem 12., 11. oder 10. usw. Impuls des Impulszählers einen Impuls
auf den invertierten Eingang des JND-Gatters (24) durchschaltet. Bei entsprechender
Einstellung der Zeitkonstanten wird dadurch der 12., 11. oder 10. usw. Impuls des
Impuls-Gencrators (4) gesperrt, so daP der Zähler noch nicht den der Drehzahl entsprechenden
Stand erreicht. Wird jeder 10. Impuls unterdrückt, so fehlen im Zähler (9) bei Nenndrehzahl
10 % der Impulse, d.h.
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statt 500 Impulsen sind nur 450 Impulse eingelaufen. ehe der nächste
Rotations-Impuls kommt, der damit ein Abschaltsignal für den betreffenden Einzelkanal
auslösen kann, da sein Unterbrechungsimpuls noch nicht durch den Ausgangsimpuls
der Kippstufe (14) unterdrückt wird.
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Ein Fehler in der Ringschaltung (23) oder im UED-Gatter (24) kann
nicht zu einer Blockierung des Äbschaltsignals führen. Hierzu wäre eine Erhöhung
der Impulsfrequenz nötig. Da derartige Erhöhungen nur um den Faktor 2 vorstellbar
sind, würde dadurch ein Überlauf signal ausgelöst werden, mit dem sich ein derartiger
Fehler selbst melden würde.