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Verfahren zum Verhindern der Überlastung von Hebewerken
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und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Verhindern der Überlastung von Hebewerken, bei
dem ein der Belastung proportionales elektrisches Signal erzeugt wird, das mit einem
zu einer Vollbelastung gehörenden ersten Schwellwert und mit einem zu einer vorgegebenen
Überlastung gehörenden zweiten Schwellwert verglichen wird und auf eine Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei Hebewerken, besonders bei Kränen, ist die Verwendung eines Überlastungsschutzes
durch Normen vorgeschrieben, mit denen der Überlastung der Maschinen bzw. der Entstehung
von Unfällen vorgebeugt werden soll.
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Für den Überlastungsschutz sind mehrere Methoden bekannt,
von
denen die meisten auf dem Messen der in dem Hebeseil entstehenden Kraft beruhen.
Die Seilkraft vergrößert sich beim Heben auf bekannte Weise stufenweise etwa linear.
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Nach dem Abheben der Last vom Boden unterliegt die Seilkraft gedämpften
Schwingungen mit einer durch die Elastizitätsverhältnisse des Seiles und des Hebesystems
und durch die Masse der Last bestimmten Zeitkonstante, wobei sich die Schwingungen
der Summe des Gewichtes der Last und der Beschleunigungskraft überlagern. Beim Überlastungsschutz
bedeutet die genaue Bestimmung der Schutzgrenzen ein Problem.
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Man kann sich vorstellen, daß die Schwingungskraftspitzen beim Heben
der zugelassenen Last die 100 %-ige Belastung übersteigen. Wenn man den Überlastungsschutz
nicht zu früh auslösen und somit die effektive Leistungsfähigkeit des Hebewerkes
relativ zur Nennleistung nicht allzu sehr verkleinern will, aktiviert man den iberlastungsschutz
nicht bei der zugelassenen maximalen Kraft, sondern erst bei 110-120 %-iger Überlastung.
Diese Lösung verhindert jedoch nicht das eben von Lasten, die größer sind als die
zugelassene Last oder nur dann, wenn die gesteigerte Unfallcjefahr bzw.
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die übermäßige Beanspruchung der Konstruktion schon eingetreten ist.
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Bei modernen Überlastungsschutz-Einrichtungen wird die Beseitigung
der Probleme der Schwingung der Seilkraft derart versucht, daß der Schutz nach dem
Erreichen der Nennbelastung nur mit einer Verzögerungszeit eingeschaltet wird, falls
die Überbelastung noch immer besteht. Hier ist die richtige Bestimmung der Verzögerungszeit
problematisch. Die Verzögerungszeit soll einerseits so lang gewählt werden, daß
während ihrer Dauer die Schwingungen schon abgeklungen sind, andererseits soll aber
di& Verzögerungszeit möglichst kurz sein, um das Entstehen einer für das Hebewerk
gefährlichen Überlastung beim Heben von Überlasten noch vermeiden zu können. Um
die ausgesprochene Unfallgefahr zu beseitigen,
wird bei diesen Lösungen
ein zweiter Alarmschaltkreis beim Erreichen einer etwa 140 %-igen überlastung eigeschaltet,
der den Schutz unabhängig Von den vorherigen Umständen einschaltet. Eine solche
Lösung ist in der HU-PS 170 267 beschrieben. Die Erfüllung der beiden einander entgegengesetzten
Forderungen bezüglich der Verzögerungszeit ist nur mit einem Kompromiß möglich,
welcher das Heben von Lasten mit 100- bis 140 %-iger Überlastung mit Sicherheit
nicht verhindert. Außerdem spricht der Schutz zu spät an, was eine übermäßige Belastung
der Konstruktion und eine gesteigerte Unfallgefahr mit sich bringen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verhindern
der Überlastung von Hebewerken zu schaffen, mit welchem der Charakter der überlastung
(Übergewicht oder normale Schwingung) bestimmt und bei die 100 %-ige Belastung nur
wenig überschreitenden Überlastungen ein Schutz sichergestellt werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist außerdem die Schaffung einer Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens, die unter Verwendung einer Kraftmeßeinheit (Kraftmeßzelle)
mit geringem Schaltungsaufwand einfach realisiert werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zeitliche Differentialquotient des der
Belastung proportionalen Signals gebildet wird, der Wert des Differentialquotienten
zur Zeit des Erreichens des ersten Schwellwerts der Belastung gespeichert wird,
und, wenn die Belastung den zweiten Schwellwert erreicht, der augenblickliche Wert
des Differentialquotienten mit dessen gespeichertem früheren Wert verglichen wird,
und ein Überlastungsalarmzeichen ausgelöst wird, wenn der augenblickliche Wert des
Dif-ferentialquctienten bei dem Vergleich größfl als ein vorgegebener
Bruchteil
des gespeicherten Wertes ist.
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Vorteilhaft wird beim Erreichen des ersten Schwellwerts ein dem vorgegebenen
Bruchteil entsprechend verkleinerter, z.B.
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C,95-facher, Wert des Differentialquotienten gespeichert.
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Nach der Alarmanzeige kann sowohl der erste als auch der zweite Schwellwert
verkleinert werden.
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Der Lösung der gestellten Aufgabe liegt die Erkenntnis zugrunde, daß
man neben dem Messen der Kraft auch den die zeitliche Veränderung der Kraft ausi^ückenden
Differentialquotient (die Ableitung) ständig bestimmen und den Schutz nach Erreichen
der gegebenen Nennbelastung abhängig davon einschalten sollte, wie sich der Wert
der Ableitung i-im Erreichen einer vorgegebenen, z.B. 5 t-igen, Überlastung im Vergleich
zu der bei der Nennbelastung meßbaren Ableitung verhält. Wenn die Ableitung bei
der gegebenen Überlastung kleiner ist als ein gegebener, z.B. 95 %-iger, Wert der
zur Nennbelastung gehörenden Ableitung, dann heißt das, daß die Belastung noch innerhalb
der zulässigen Grenzen liegt und der Schutz nicht ausgelöst werden soll. Wenn die
Ableitung beim Erreichen der Überlastung größer als der genannte Schwellwert ist,
dann bedeutet das eine Überlastung und der Schutz soll ausgelöst werden.
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Gemäß der Erfindung wurde ein Verfahren zum Verhindern der Entstehung
einer Überlastung geschaffen. Bei dem Verfahren werden der Seilkraft proportionale
Signale erzeugt, die mit einem zu einer 100 %-igen Belastung gehörenden ersten Schwellwert
und mit einem zu einer vorgegebenen Überlastung gehörenden zweiten Schwellwert verglichen
werden. Nach der Erfindung wird die zeitliche Ableitung (der Differentialquotient)
des elektrischen Signales der Seilkraft gebildet. vliese Ableitung wird beim Erreichen
des ersten Schwellwerts Jcspeichert,
und wenn das elektrische Signal
der Seilkraft den zweiten Schwellwert erreicht, wird die in diesem Augenblick erreichte
Ableitung des Seilkraftsignals mit der gespeicherten Ableitung verglichen, und es
wird eine Schutzanzeige erzeugt, wenn das Ableitungssignal beim Erreichen des zweiten
Schwellwerts größer ist als ein vorgegebener, z.B. 95 %-iger, Wert des gespeicherten
Ableitungssignals.
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Bei einer vorteilhaften Verwirklichung bzw. Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden die beiden ersten und zweiten Schwellwerte nach Erreichen der
Schutzanzeige auf 60 % verkleinert. Mit dieser Maßnahme kann erreicht werden, daß
eine größere Last als die zugelassene nicht aufgehoben werden kann und die Last
zu einem neuen Heben erst auf den Boden gestellt werden muß.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
enthält eine Kraftmeßeinheit, einen an einen Ausgang der Kraftmeßeinheit angeschlossenen
Verstärker sowie zwei an den Ausgang des Verstärkers angeschlossene erste und zweite
Komparatoren, wobei die Referenzeingänge der Komparatoren an je einen Ausgang einer
Schwellwerteinstell-Einheit angeschlossen sind. Nach der Erfindung ist der Ausgang
des Verstärkers an den Eingang einer Differenziereinheit angeschlossen, der Ausgang
der Differenziereinheit einerseits an einen Eingang eines dritten Komparators und
andererseits über einen gesteuerten Speicher, z.B. einen Feldeffekt-Transistor,
an einen anderen Eingang des dritten Komparators angeschlossen, und ein Steuereingang
des gesteuerten Speichers ist an einen Ausgang des ersten Komparators angeschlossen,
der dritte Komparator ist an einen Eingang einer den Schutz auslösenden Schaltereinheit
angeschlossen, ein Ausgang des zweiten Komparators ist zum Blockieren der Funktion
des Schutzes bis zum Erreichen eines zweiten Schwellwerts mit dem dritten Komparator
bzw. mit der Schaltereinheit verbunden,
und ein Eingang des gesteuerten
Speichers ist über einen Spannungsteiler mit einem Ausgang der Differenziereinheit
verbunden.
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Weiterbildungen dieser Schaltung gehen aus den Ansprüchen 5 und 6
hervor.
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Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet charakteristisch die tatsächliche
Überlastung von den betriebsmäßig noch zugelassenen Belastungen, bei denen in den
Schwingungsspitzen eine virtuelle Überlastung entsteht, und sie bietet einen wesentlich
empfindlicheren überlastungsschutz im Vergleich mit den bekannten Lösungen, wobei
der Schutz selbst im Gegensatz zu dem bekannten, nur über einer etwa 140 %-igen
Belastung wirksamen Uberlastungsschutz, schon über einer etwa 105 -Lgen Überlastung
wirksam ist und zur gleichen Zeit das Heben einer Nennlast nicht verhindert wird.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen Fig. 1 ein allgemeines Blockschaltbild
der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung; Fig. 2 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform
der Schaltungsanordnung nach Fig. 1; Fig. 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform;
und Fig. 4 eine Darstellung von Diagrammen (a bis d) der wichtigsten Punkte der
Schaltungsanordnung in zeitlichem Ablauf für drei charakteristische Fälle.
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In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Eine Kraftmeßeinheit 1 erzeugt ein
elektrisches Spannungssignal, das der auf das Hebewerk wirkenden Kraft proportional
ist. Die Kraftmeßeinheit 1 ist vorteilhaft aus vier in Brückenschaltung geschalteten
Kraftmeßzellen aufgebaut, und ihr Ausgang ist an einen Eingang eines Verstärkers
2 angeschlossen. Als Verstärker 2 ist ein hochstabilisierter integrierter Gleichstrcmverstärker
gewählt, der an seinem Ausgang 21 ein der Seilkraft proportionales Signal liefert.
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Die Kraftmeßeinheit 1 und der Verstärker 2 sind auch in der erwähnten
HU-PS 170 267 beschrieben. Der Ausgang 21 des Verstarkes 2 ist in drei Richtungen
verzweigt. Er ist einerseits mit einem Eingang einer Differenziereinheit 4 und andererseits
mit Signaleingängen 51 bzw. 61 eines ersten Komparators 5 bzw. eines zweiten Komparators
6 verbunden. Ein Referenzeingang 52 des ersten Komparators 5 und ein Referenzeingang
62 des zweiten Komparators 6 sind mit je einem Ausgang einer Schwellwerteinstell-Einheit
7 verbunden. Die Schwellwerteinstell-Einheit 7 liefert für den ersten Komparator
5 eine der Vollbelastung entsprechende Referenzspannung und für den zweiten Komparator
6 eine Referenzspannung, die 5 % höher als die erste ist.
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Die Differenziereinheit 4 erzeugt ein der Ableitung der Seilkraft
proportionales Signal und ihr Ausgang ist an einen Signaleingang 111 eines dritten
Komparators 11 sowie einen Eingang eines Spannungsteilers 9 angeschlossen. Der Spannungsteiler
9 gibt z. B. eine 0,95-malige Teilung, und sein Ausgang ist mit einem analogen Eingang
81 eines gesteuerten Speichers 8 verbunden. Der gesteuerte Speicher 8 hat einen
analogen Aufbau und ist vorzugsweise mit einem durch einen Feldeffekt-Transistor
83 gespeisten Speicherkondensator 85 versehen. Ein Steuereingang 82 des gesteuerten
Speichers 8 ist mit dem Ausgang des ersten Komparators
5 verbunden,
und der Speicherkondensator 85 folgt entweder der dem analogen Eingang 81 zugeführten
Spannung oder speichert den bei der Steuerung anliegenden Wert, immer abhängig vom
Zustand des ersten Komparators 5. Der Ausgang des gesteuerten Speichers 8 ist direkt
oder über einen Spannungstreppen-Schaltkreis 10 an den Referenzeingang 112 des dritten
Komparators 11 angeschlossen. Der Ausgang des dritten Komparators 11 ist mit einer
Schaltereinheit 12, die vorteilhafterweise aus einem Verstärker und aus einem daran
angeschlossenen Relais besteht,-verbunden. Der zweite Komparator 6 dient als Torschaltung
zwischen dem dritten Komparator 11 und dem Ausgang der Schaltereinheit 12. In Fig.
1 ist der Ausgang des Komparators 6 auf einen Freigabe-Eingang 121 (enable input)
der Schaltereinheit 12 geschaltet. Er könnte ebenso auf einen Freigabe-Eingang des
dritten Komparators 11 oder einer anderen Torschaltung, die die Funktion der Schaltereinheit
12 blockieren kann, geschaltet werden.
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Der Ausgang des dritten Komparators 11 ist weiter an einen Einstelleingang
71 der Schwellwerteinstell-Einheit 7 angeschlossen. Dieser Ausgang hat die Aufgabe,
die Referenzspannungen der Schwellwerteinstell-Einheit 7 beim Umkippen des dritten
Komparators 11 zu verändern.
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Da der Zustand der Schaltereinheit 12 auch der Ausgangszustandsänderung
des dritten Kompæratmrs 11 folgt, kann der Einstelleingang 71 auch mit einem dazu
geeigneten Ausgang der Schaltereinheit 12 verbunden werden.
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In Fig. 2 und 3 ist je ein konkretes Ausführungsbeispiel für die Schaltungsanordnung
in Fig. 1 dargestellt, wobei die an sich bekannte Kraftmeßeinheit 1 und der Verstärker
2 nicht dargestellt wurden; so ist der Eingang der Schalung von dem Ausgang 21 des
Verstärkers 2 gebildet. Bei der Ausführungsform
nach Fig. 2 können
alle drei Komparatoren und der Operationsverstärker der Differenziereinheit 4 als
je ein integrierter Differentialverstärker desselben Typs -z.B. IC-Verstärker SN
72741 von Texas Instruments - ausgeführt werden. Aus der Schaltung nach Fig. 2 kann
der Aufbau der in Fig. 1 schematisch gezeigten Einheiten entnommen werden. Die Differenziereinheit
4 besteht aus einem Differentialkondensator 41 und einem rückgekoppelten Operationsverstärker
42. Der Spannungsteiler 9 besteht aus Widerständen 91 und 92, und die Schwellwerteinstell-Einheit
7 ist als eine Spannungsteiler-Kette aus Widerständen 72, 73 und 74 gebildet und
zwischen Masse und negative Speisespannung -UT geschaltet.
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Die Eingänge der ersten und zweiten Komperatoren 5 und 6 sind durch
je einen opplungswiderstand an den Ausgang 21 des Verstärkers 2 bzw. die Schwellwerteinstell-Einheit
7 angeschlossen. Der gesteuerte Speicher 8 enthält einen Feldeffekt-Transistor 83
(z.B. der Typ BF 246), dessen Steuerelektrode über eine Diode 84 mit dem Ausgang
des ersten Komparators 5 verbunden ist. Der Speicherkondensator 85 enthält das Ausgangssignal
des Spannungsteilers 9 über den Feldeffekt-Transistor 83, das er über einen Kopplungswiderstand
an den Referenzeingang 112 des dritten Komparators 11 weiterleitet. Mit einem hochohmigen
Potentiometer 86 kann die Entladungszeitkonstante des Speicherkondensators 85 geregelt
werden.
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Die Schaltereinheit 12 ist als ein vom Ausgang des dritten Komparators
11 gesteuerter Verstärkertransistor 122 und ein Relais 124 ausgebildet. Der Verstärkertransistor
122 ist mit einer Diode 123 geschützt.
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Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist es einerseits interessant, daß der
Ausgang des zweiten Komparators 6 über eine Diode 63 und einen Widerstand 64 an
den Signaleingang 111 des dritten
Komparators 11 angeschlossen
ist. Dieses Glied entspricht im wesentlichen dem auf den Freigabe-Eingang 121 der
Schaltereinheit 12 geschalteten Schaltkreis der Fig. 1. Im Ausgangszustand (bis
der Signaleingang 61 des zweiten Komparators 6 positiver ist als der Referenzeingang
62) schaltet der zweite Komparator 6 eine große negative Spannung auf den Signaleingang
111 des dritten Komparators 11, und an seinem Ausgang kann eine positive Spannung
gemessen werden.
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Dieser Umstand verändert sich beim Umkippen des zweiten Komparators
6, und von jetzt an wird der Zustand des dritten Komparators 11 durch die Größe
der an seine Eingänge geführten differenzierten Signale bestimmt.
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Die Schaltung ist andererseits interessant wegen der Verwendung eines
Offset-Potentiometers 114, womit der dritte Komparator 11 derart eingestellt werden
kann, daß er mit Sicherheit umkippt, wenn an seinen beiden Eingängen gleiche Spannungen
anliegen, bzw. wenn die Spannung an dem Signaleingang 111 nur höchstens um einen
der eingestellten Offset-Spannung entsprechenden Wert kleiner ist als die Spannung
an dem Referenzeingang 112. Die Offset-Spannung ist in der Größenordnung von 100
mV. Im Hinblick auf seine Wirkung entspricht das Offset-Potentiometer 114 dem Spannungstreppen-Schaltkreis
10 in Fig. 1.
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Der Ausgang des dritten Komparators 11 ist über eine Diode 75 und
einen Transistor 76 mit einer Abzweigung des Widerstandes (Einstellpotentiometers)
74 der Schw61werteinstell-Einheit 7 verbunden, wodurch sich die Ausgangsschwellspannungswerte
der Schwellwerteinstell-Einheit 7 beim Umkippen des dritten Komparators 11 verringern.
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Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist im wesentlichen gleichwertig
mit der in Fig. 2 gezeigten, hier wird jedoch die Rückkopplung von dem Relais 124
zur Schwellwerteinstell-
Einheit 7 über ein Potentiometer 125 geführt,
und die Schaltereinheit 12 schaltet bei ihrem Umkippen (beim Abfallen des Relais
124) eine aus der positiven Speisespannung +UT abgeteilte Spannung auf das obere
Ende der Schwellwerteinstell-Einheit 7, wodurch sich die Schwellspannungswerte am
Ausgang der Schwellwerteinstell-Einheit 7 beim Umkippen des dritten Komparators
11 verringern.
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Bei dieser Schaltung ist der Spannungstreppen-Schaltkreis 10 anstelle
des Offset-Potentiometers 114 als ein aus einer Diode 101 und aus einem hochohmigen
Widerstand gebildetes Reihenglied ausgeführt, das zwischen dem Ausgang des zweiten
Komparators 6 und den Signaleingang 111 des dritten Komparators 11 geschaltet ist.
Wenn das differenzierte Signal einen kleinen Wert hat, wird eine kleine positive
Spannung nach dem Umkippen des zweiten Komparators 6 an den Signaleingang 111 des
dritten Komparators 11 geführt, was durch Kippen des letzteren für eine Alarmgabe
ausreichend ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden zusammen mit der
Arbeitsweise der Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens mit Bezug auf
die Zeitdiagramme der Fig.
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4 näher erläutert.
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Im Diagramm a in Fig. 4 ist das am Ausgang 21 des Verstärkers 2 anliegende
elektrische Signal in drei unterschiedlichen Fällen dargestellt, die als Fälle I,
II und III bezeichnet sind. Das elektrische Signal folgt treu der Zugkraft F in
dem Seil. Die vertikale Achse des Diagramms kann so in Einheit der Kraft geeicht
werden. In dem Diagramm ist der Wert der Vollbelastung angedeutet, der der auf den
Referenzeingang 52 des ersten Komparators 5 geschalteten Spannung U52 entspricht.
Es ist auch die der etwa 105 %-igen Belastung entsprechende Spannung U62 eingezeichnet,
die an dem Referenzeingang 62 des zweiten Komparators 5 gemessen
werden
kann. Es ist darauf hinzuweisen, daß das Diagramm 4a bei den realisierten Schaltungen
nach Fig. 2 und 3 ein entgegengesetztes Vorzeichen hat, die Vorzeichen änderung
spielt aber keine Rolle für das Verständnis der funktionellen Verhältnisse.
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Im Diagramm b in Fig. 4 ist das an dem Ausgang der Differenziereinheit
4 meßbare Signal in drei Fällen dargestellt, und das Diagramm kann im Maßstab dF/dt
geeicht werden.
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Um die Funktion des dritten Komparators veranschaulichen zu können,
sind im Diagramm c in Fig. 4 die an dem Signaleingang 111 anliegende Spannung mit
einer gestrichelten Linie und das zu dem Referenzeingang 112 geführte Signal mit
einer vollen Linie dargestellt. Die Spannung U111 des Signalcingangs 111 ist gleich
dem Signal dF/dt, und die Spannung U112 des Signaleingangs 112 kann auch - in einer
später beschriebenen Weise - aus dem Signal dF/dt abgeleitet werden.
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Im Diagramm d in Fig. 4 ist die Ausgangsspannung U11 des dritten Komparators
11 in allen drei Fällen dargestellt.
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Im Falle I ist ein Kraftdiagramm einer Belastung aufgezeichnet, bei
der die Last genau dem maximal erlaubten Wert entspricht. Wie aus Fig. 4a ersichtlich
ist, erreicht die Kraft F den maximalen eingestellten Wert im Zeitpunkt to, sie
vergrößert sich weiter und überschreitet auch den zweiten Schwellwert im Zeitpunkt
t1, der der 105 %-Belastung entspricht. Danach pendelt die Kraft F periodisch um
die maximal zugelassene ne Belastung, und das Hebewerk ist nicht einer dauerhaften
Überlastung ausgesetzt. Es ist darauf hinzuweisen, daß eine von periodischen Schwingungen
hervorgerufene Überlastung bei jedem Hebewerk auftritt, und die Maschinen sind so
dimensioniert, daß sie eine beim Heben einer Nennlast auctretende, etwa 15 %-ige
augenblickliche Überlastungsspitze aubhal--n.
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Der Überlastungsschutz muß dann ansprechen, wenn die Überlastung nicht
augenblicklich ist bzw. wenn die augenblickliche Belastungsspitze die zugelassene,
z.B. 15 %-ige,überlastungsspitze überschreitet. In Fig. 4a ist dieser Pegel F dinmax
mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
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Aus Fig. 4b kann das Verhalten des Signals dF/dt entnommen werden.
Es ist zu erkennen, daß sich das differenzierte Signal zwischen den Zeitpunkten
t und tl schnell verrin-0 gert.
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Mit-Bezug auf Fig. 1, wenn diese mit den Diagrammen der Fig. 4 verglichen
wird, ist es ersichtlich, daß das Ausgangssignal dF/dt der Differenziereinheit 4
vor dem Zeitpunkt t zum Signaleingang 111 des dritten Komparators 11 gelangt, und
nach dem Passieren durch den Spannungsteiler 9 mit der Teilerkonstante k (z.B. k
= 0,95) kann an dem Ausgang des gesteuerten Speichers 8 ein Signal k . dF/dt gemessen
werden. Dieses Signal gelangt an den Referenzeingang 112 des dritten Komparators
11. Von dem Spannungstreppen-Schaltkreis 10 kann jetzt abgesehen werden, da er das
Signal k dF/dt nur um einen verhältnismäßig kleinen Wert U u Verringert. In diesem
Falle I ist das gespeicherte Signal k dF/dt in der Größenordnung von 5 Volt, und
damit verglichen kann Au = 100 mV vernachläßigt werden. Im Zeitpunkt t = t kippt
der erste Komparator 5 um, und sein Aus-0 -gang steuert den Steuereingang 82 des
gesteuerten Speichers 8. In diesem Moment wird das Laden des Speicherkondensators
85 abgebrochen, und am Ausgang des gesteuerten Speichers 8 kann bis zum Zurückkippen
des ersten Komparators 5 eine konstante Spannung mit dem Wert
gemessen werden, wie es mit der vollen Linie in Fig. 4c angedeutet ist.
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Im Zeitpunkt t = tl kippt auch der zweite Komparator 6 um, da der
Kraftwert auch den zweiten Schwellwert überschritten hat. In diesem Moment wird
der dritte Komparator 11 oder die Schaltereinheit 12 funktionsfähig. Ist, wie es
aus Fig. 4c ersichtlich ist, die Signalspannung U111, d.h. das differenzierte Signal
dF/dt kleiner als die Spannung U112, so bleibt der dritte Komparator 11 im Ausgangszustand
(mit positivem Ausgang).
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Physikalisch bedeutet das, daß sich die Kraft nach dem Erreichen des
maximal zugelassenen Werts in immer langsamerem Tempo zunimmt und ihr Maximum noch
vor dem Erreichen des Pegels Fdinmax erreicht. Mathematisch kann nachgewiesen werden,
daß die Seilkraft F bei entsprechend gewählten Werten der Konstanten k und t U und
bei beliebigem Kraft diagramm immer kleiner als der Pegel Fdinmax wird, wenn die
Bedingung 112 > U111 im Zeitpunkt des Umkippens des zweiten Komparators 6 erfüllt
ist.
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Bei den Schaltungsanordnungen nach Fig. 2 und 3 liegt im Ausgangs
zustand an dem Ausgang des zweiten Komparators 6 eine negative Speisespannung, die
die Spannung des Signaleingangs 111 des dritten Komparators 11 über die Diode 63
und den Widerstand 64 in negativer Richtung verschiebt, und in diesem Falle kann
der dritte Komparator 11 nicht umkippen.
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Im Zeitpunkt tl wird der Ausgang des zweiten Komparators 6 positiv
und die Diode 63 läßt dieses Signal nicht durchflicssen; so wird die Spannung des
Signaleinganges 111 durch die Ausgangsspannung der Differenziereinheit 4 bestimmt.
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Wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, öffnet der erste Komparator
5 im Ausgangszustand den Feldeffekt-Transistor 83, kippt im Zeitpunkt t um und hält
mit dem Sperren des Feld-0 effekt-Transistors 83 die Spannung des Speicherkondensators
85 auf dem im Zeitpunkt t aufgenommenen Wert.
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Aus dem Obigen geht hervor, daß der dritte Komparator
11 im Falle I nicht umgekippt ist und an seinem Ausgang eine positive Spannung gemessen
werden konnte, die mit den Polaritäten nach Fig. 2 und 3 den Verstärker-Transistor
122 im leitenden und das Relais 124 im geschlossenen Zustand hält.
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Wenn Fall I nach dem Zeitpunkt tl betrachtet wird, kippt der erste
Komparator 5 im Zeitpunkt t2 und der zweite Komparator 6 im Zeitpunkt t3 noch einmal
um. Offensichtlich spricht der Schutz auch jetzt nicht an, da bei einer gedämpften
Schwingung der Wert des Differentialquotienten in der zweiten Periode im Zeitpunkt
t3 im Vergleich zum Wert im Zeitpunkt t2 kleiner wird als in der ersten Periode
(die Kurve ist flacher). Die Äquivalenz erfolgt im Punkt B2, der noch vor dem Zeitpunkt
t3 liegt; so verändert sich der Zustand des dritten Komparators 11 nicht.
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Im Falle II ist das zum Heben einer Last größer als die zugelassene
Last gehörende Kraftdiagramm dargestellt. Im Zeitpunkt t4 überschreitet die Kraft
F den ersten Schwellwert und der erste Komparator 5 kippt um. Die Kurve verkleinert
sich noch nicht genügend nach dem Überschreiten des zweiten Schwellwerts im Zeitpunkt
t5 (der Wert dF/dt verkleinert sich erst später); so wird im Zeitpunkt t des zweiten
Vergleichs die in Fig. 4c eingezeichnete gestrichelte Linie über dem mit voller
Linie gezeichneten Wert sein, d.h. daß die Spannung am Signaleingang 111 des dritten
Komparators 11 im Zeitpunkt t5 positiver als am Referenzeingang 112 ist, der dritte
Komparator 11 kippt im Zeitpunkt t5 um und der überlastungsschutz wird aktivierte
Infolge der Wirkung des überlastungsschutzes vergrößert sich die Kraft in Wirklichkeit
nach dem Zeitpunkt t5 schon nicht weiter (das Heben wird sofort gestoppt). So können
die im Diagramm 4 dargestellten Zustände nicht entstehen.
In den
Diagrammen 4a und 4b beim Fall II ist der Kraftverlauf nach dem Zeitpunkt t der
ohne Anwendung des Überlastungsschutzes zustandegekommen wäre, mit gestrichelter
Linie dargestellt. Der Schutz wurde lange vorher ausge-?öst, bevor die Kraftspitze
den Pegel Fdinmax erreicht hätte. Es ist weiterhin kennzeichnend für die Erfindung,
daß die Referenzspannungen der ersten und zweiten Komparatoren 5 und 6 nach dem
Auslösen des Überlastungsschutzes (nach dem Zeitpunkt t5) mit Hilfe der Schwellwerteinstell-Einheit
7 wesentlich (z.B. um die Hälfte verkleinert werden. Somit wird das Ausschalten
des Überlastungsschutzes soweit verzögert, bis sich die Kraft auf den neuen zweiten
Referenzpegel verringert. Dazu muß die Last auf den Boden gestellt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 offnet der Transistor 76 über
die Diode 75 infolge der negativ werdenden Ausgangsspannung des dritten Komparators
11; so werden die Referenzpegel durch das Shunten der an den Widerstand 7§ gelegten
negativen Spannung geringer sein.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 wird derselbe Effekt durch
das Potentiometer 125 sichergestellt. Beim Ansprechen des Überlastungsschutzes kommt
nämlich der mit dem Relais 124 verbundene Pol des Potentiometers 125 auf die positive
Speisespannung +UT, und die positive Spannung macht den oberen Pol der Widerstandskette
der Schwellwerteinstell-Einheit 7 positiver; somit werden die Schwellspannungen
positiver.
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Im Falle III nach Fig. 4 ist eine in der Praxis selten vorkommende
Kraftzunahme dargestellt, bei der die Kraft F den zugelassenen Wert mit kleiner
Steilheit anwachsend schneidet Bei dieser Kraftzunahme hat die Ableitung dF/dt einen
sehr kleinen Wert, und die Ableitung hat im Zeitpunkt t6 des ersten Vergleichs den
gleichen Wert wie im Zeitpunkt t7 des zweiten Vergleichs. Auch in diesem Falle muß
der Uberlastungsschutz sichergestellt werden.
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Durch die Tatsache, daß immer der Wert dF/dt mit dem Wert k dF/dt
verglichen wird, wobei k<l ist, ist im Prinzip sichergestellt, daß der dritte
Komparator 11 im Falle der Gleichheit der Werte dF/dt in den Zeitpunkten der beiden
Vergleiche ausgelöst wird. Die Komparatoren haben aber im Bereich des Null-Vergleichs
eine gewisse Unsicherheit. Wenn der Wert dF/dt sehr klein ist, wird die Differenz
dF/dt -k dF/dt nahezu Null, da sich bei k = 0,95 die Differenz zu 0,05 dF/dt ergibt.
Um die daraus folgende Unsicherheit zu vermeiden, wird die Spannung des -Referenzeingangs
112 des dritten Komparatos 11 um etwa 100 mV verkleinert, bzw.
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die'Spannung des Signaleingangs 111 um etwa 100 mV vergrössert Wie
aus Fig. 4c ersichtlich, ist die Signalspannung 1 im Zeitpunkt t7 positiver als
die Referenzspannung U112; so wird der dritte Komparator 11 umgekippt und der Schutz
ausgelöst.
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Wie schon früher erwähnt, wird die Offset-Spannung ß U in der Schaltung
nach Fig. 2 mit dem Offset-Potentiometer 114 eingestellt, und in der Schaltung nach
Fig. 3 wird der Signaleingang 111 mit der sich beim Umkippen des zweiten Komparators
6 ergebenden Spannung durch die Diode 101 und den hochohmigen Widerstand 102 ein
wenig positiver eingestellt.
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Dies hat selbstverständlich denselben Effekt als ob die Spannung des
Referenzeinganges 112 in negativer Richtung Verschoben worden wäre.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch die Überwachung der Ableitung
der Kraftkurve einen viel effektiveren und schnelleren Schutz sicherstellen als
die bekannten Lösungen. Dieser Schutz unterscheidet scharf die noch zu dem zugelassenen
Bereich gehörenden Kraftwirkungen von den statischen Kraftwirkungen (Fälle I und
III), und bietet einen rechtzeitigen früheren Schutz, wenn die maximale dynamische
Belastung über den zugelassenen Grenzpegel zunehmen würde
(Fall
II). Wie aus Fig. 4 zu entnehmen ist, wird der Schutz schon bei 105 %-iger Belastung
ausgelöst und die Belastung, falls nicht mehr zugelassen ist, auf diesen Pegel limitiert.
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Die mit den bekannten Lösungen verbundenen Unsicherheiten, die 30
bis 40 % im Vergleich zur vollen Last betrugen, können auf 1/6 verringert werden.
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Außer der Erhöhung der Schnelligkeit hat der erfindungsgemäße Überlastungsschutz
eine große Bedeutung bei der Dimensionierung der Hebewerke. Bei Verwendung eines
solchen Überlastungsschutzes kann das Hebewerk auch mit kleinerer Überdimensionierung
ausgeführt werden; mit dem Ausschuß von Belastungsspitzen kann auch die Gefahr der
Ermüdung verringert werden. Daneben wird der normale Betrieb des Hebewerkes bis
zum Erreichen der Nennbelastung von keinem Mittel verhindert.
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Die erfindungsgemäße Lösung verhindert ferner noch in guter Zeit den
Start mit losem Seil, der unter allen dynamischen Beanspruchungen die gefährlichste
und auch die unvorteilhafteste ist. Die bisherigen Schütze traten nur dann in Funktion,
wenn die Kraft den 140 %-igenSchwellwert schon überschritten hatte. Nach der Erfindung
wird der Schutz schon beim Erreichen des 105 %-Pegels aktiv sein. Beim Start mit
losem Seil ist nämlich die Ableitung konstant oder zunehmend, sie hat keinesfalls
einen schnell abnehmenden Wert.
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Aufgrund der obigen Ausführungen ist es für den Fachmann ersichtlich,
daß die geschilderte Funktionsweise nicht auf die als Beispiele erwähnten Grenzwerte
(105 %, k = 0,95) beschränkt ist, sondern daß diese Grenzwerte abhängig von den
konkreten Anforderungen und Zuständen frei gewählt werden können. Die Zusammenhänge
zwischen den Grenzen können aufgrund der oben beschriebenen Prinzipien für beliebige
Bedingungssysteme aufgestellt werden.