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Ergometer
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer, mit einem vom Probanden
zu betätigenden Antrieb, insbesondere Treteinrichtung, und einer dem Antrieb zugeordneten
Bremseinrichtung für die vom Probanden aufzubringende Tretleistung, wobei durch
simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe die Bremseinrichtung
bei Vorgabe eines teistungssollwertes über eine zugehörige Steuer- und Regeleinrichtung
drehzahlunabhängig arbeiten soll.
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Ergometer dienen zur Bestimmung der physiologischen Leistungsfähigkeit
eines Probanden. Ein häufig verwendetes Ergomter ist das Fahrradergometer, bei dem
der Proband durch Treten der Pedale, die über ein Übersetzungsgetriebe od. dgl.
mit einer Bremseinrichtung verbunden sind, Arbeit verrichtet. Die Größe der vom
Probanden pro Zeiteinheit aufzubringenden Arbeit, d. h.
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die aufgebrachte Beistung,kann dabei mit der Bremseinrichtung durch
mehr oder weniger starkes Abbremsen der angetriebenen Teile vorgegeben werden.
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Speziell bei medizinisch zu verwendenden Ergometern soll nach Möglichkeit
die Leistung von der Tretfrequenz des Probanden, d.h. von der Drehzahl der bewegten
Teile, unabhängig vorgebbar sein. Dazu muß mit zunehmender Drehzahl n die Bremswirkung
verringert bzw. bei abnehmender Drehzahl die Bremswirkung erhöht werden. Das mit
der Bremseinrichtung erzeugte Bremsmoment M ist also im Arbeitsbereich des Ergometers
in entsprechender, umgekehrt
proportionaler Abhängigkeit von der
Drehzahl n auszuregeln. Dazu sind entsrpechende Steuer- und Regeleinrichtungen notwendig,
wobei wegen der Vielzahl der verschiedenen Einflußfaktoren bei vertretbaren technischen
Aufwand eine exakte Konstant regelung der Tretleistung meist nicht erreichbar ist.
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Entscheidender drehzahlabhängiger Faktor ist bei herkömmlichen Ergometern
die sog. Verlustleistung. Verlustleistung entsteht bei Ergometern im wesentlichen
durch Reibung in den Lagern, Ubertragungsgliedern wie Kette, Zahnriemen u. dgl.,
oder auch durch Luftbewegung an schnell rotierenden Elementen des Ergometergetriebes.
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Die Verlustleistung hat eine exponentielle Drehzahlabhängigkeit, deren
funktionalen Parameter im wesentlichen konstruktionsbedingte Größen sind.
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Bei Ergometern des Standes der Technik wird beispielsweise das Drehmoment
M als auf einen definierten Hebelarm wirkende Grafit und die zugehörige Drehzahl
n gemessen, woraus die Leistung durch Multiplikation zu ermitteln ist. Dabei bietet
sich die Möglichkeit an, dem in der Meßeinrichtung gemessenen Drehmoment ein simuliertes
Drehmoment auzuaddieren, wedul-ch der drehzahlabhängigen Verlustleistung schon im
wesentliche Rechnung getragen it. Obwohl beim Stand der Technik eine solche Kompensation
bereits als hinreichend angesehen wird, haben doch neuere Messungen bestätigt, daß
auWh im Falle einer optimalen Justierung immer noch ein beträchtlicher systematischer
Fehler verbleibt.
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Neben den durch die Verlustleistung bewirkten Verzerrungen der Beistungs-Drehzahl-Eennlinien
können im Arbeitsbereich eines Ergometers auch bei der Tretleistung Veränderungen
auftreten. Für unterschiedliche
Sollwertleistungen ergeben sich
dadurch voneinander abweichende funktionale Abhängigkeiten der Tretl.eStung ton
der Drehzahl, insbesondere bei hohen SollwerGeistungen. Erfahrungsgemäß muß deswegen
bei drehzahlunabhängigen Ergometern das Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen größer
sein als bei höheren, so daß es hier Bu einer lastabhängigen Vergrößerung der Verlustleistung
speziell im niedrigen Drehzahlbereich kommt. Im Ergebnis verlaufen deswegen verschiedene
Leistungskurven im Arbeitsbereich des Ergometers trotz erfolgter Kompensation nicht
exakt parallel.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Betriebsschaltung mit Steuereinrichtung
bei drehzahl unabhängigen Ergometern so zu verbessern, daß auch1 Restfehler kompensiert
werden. Dabei soll die bereits vorhandene Steuer-und Regeleinrichtung weiter verwendet
werden, so daß die Schaltung insgesamt leicht und ohne zusätzlichen Aufwand realisiert
werden kann.
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Die Aufgabe wrd erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß außer zur Durchführung
einer Grundkompensation der Getriebeverlustleistung zusätzliche Mittel vorhanden
sind, mit denen eine weitgehend vollständige Kompensation der Drehzahlabhängigkeit
der Verlustleistung und/oder der lastabhängigen Veränderung der Verlustleistung
und damit verursachten Abweichungen der vom Probanden aufzubringenden Tretleistung
vom Sollwert innerhalb des Arbeitsbereichs des Ergometers bewirkt wird.
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Mit der Erfindung ist nun eine weitestgehende Kompensation der bisher
noch störenden Restabhängigkeit der Verlustleistung und/oder Tretleistung selbst
von der Drehzahl erreicht. Durch Beibehaltung der bei drehzahl-
unabhängigen
Ergometer bewährten, bereits vorhandenen Schalt- und Steuermittel zur Grundkompensation
können vorhandene Ergometer einfach komplettiert werden.
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Bei einem erfindungsgemäß ausgestaltetern Ergometer bietet es sich
nun darüber hinaus an, die Betriebsschaltung mit Steuereinrihtung so auszulegen,
daß bei Vorgabe von Sollwerten der Tret' ng die L stung stetig von Nwllw auf den
Sollwert im Arbeitsbereich einzuregeln, wodurch außerhalb des Arbeitsbereichs ein
stationärer Betrieb, der von der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl unabhängig
ist, möglich ist. Damit sind in einfachster Weise die bei beispielsweise vorgegebener
Drehzahl sonst üblichen Anlaufschwierigkeiten des hohen Drehmomentes bei verschwindender
Drehzahl beseitigt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den
weiteren Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Schaltung zur weitghend vollständigen Kompensation
der Verlustleistung, Fig. 2 eine spezielle Muliiplikationsschaltung, Fig. 3 eine
Schaltung zur Einlaufregelung des Sollwertgebers für die Tretleistung bei vorgegebener
Drehzahl und Fig. 4 zwei Diagramme mit Beistungs-Drehzahl-Kennlinien.
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In der Fig. 1 bedeuten 1 eine Dehnungsmeßstreifenbrücke, deren Signal
über die nachgeschalteten Widerstände 2 und 3 auf einen Differenzverstärker 4 gegeben
wird. Der Brücke sind üblicherweise Mittel zum Brückenabgleich zugeordnet, auf die
hier nicht näher eingegangen wird.
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Das verstärkte Signal ist über einen Widerstand 5 an eine Spannungs
quelle UO mit äustierbarem Widerstand 6 und einem weiteren Vorwiderstand 7 angeschlossen.
Über die Spannungsquelle Um mit justierbarem Vorwiderstand 6 kann also das Meßsignal
in bereits dem Sinne beeinflußt werden, daß das von der Dehnungsmeßstreifenbrücke
1 gelieferte Signal mit einem Korrektursignal beaufschlagt wird. Dieses so korrigierte
Signal wird auf einen Multiplikator 8 geschaltet, der das Verstärkersignal mit der
Drehzahl n multipliziert.
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Wenn man davon ausgeht, daß das Signal der Dehnungsmeßstreifenbrücke
1 proportional dem Drehmoment Md ist und das Beaufschlagungssignal der Spannungsquelle
Uo mit MdS bezeichnet wird, so läßt sich das Gesamtsignal nach Multiplikation mit
der Drehzahl n folgendermaßen darstellen N - (Md + Mds) n " (1) oder N nun Mdn +
Md n (la) Beide Summanden beinhalten also eine Leistung, wobei der erste die tatsächlich
gemessene Leistung ist und der zweite die Kompensationsleistung darstellen kann,
die durch Verluste verloren geht. Berücksichtigt man die exponentielle Drehzahlabhängigkeit
der Verlustleistung, die durch No = A nB (2)
beschrieben ist, wobei
A und B Gerätekonstanten sind, so läßt sich zwar bei der oben dargestellten Signaladdition
die Verlustleistung im wesentlichen eliminieren; da aber der Exponent B / 1 ist,
verbleibt ein systematischer Fehler, der auch bei optimaler Justierung bis zu 10
$ betragen kann.
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In der Fig. 1 wird nun das Signal des Multiplizierers 8 auf einen
Eingang eines Addierverstärkers 9 angeschaltet, von dem eine Steuereinrichtung 10
angesteuert wird, auf die hier nicht im einzelnen eingegangen wird.
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Auf den zweiten Eingang des Verstärkers 9 wird eine variable Korrekturspannung
gegeben. Durch Anschaltung an ein Widerstandsnetzwerk ist nun diese Korrekturspannung
im erwünschten Sinne frei einstellbr. Es sind drei Widerstandszweige angeschaltet.
Über den Widerstand 11 mit Wert R2 ist der zweite Eingang des'Verstärkers 9 an den
Abgleichwiderstand 12 mit Wert R4 und eine Spannungsquelle UO zum Offset-Abgleich
angeschlossen. Dieser Spannung wird über die Widerstände 13 und 14 mit Widerstandswerten
R1 und R3 eine weitere drehzahlabhängige Spannung Un aufgeschaltet. Es ergibt sich
so insgesamt eine Korrekturspannung Ukorr = D (E - n) (3) wobei D und E durch Widerstandswerte
R1 bis R der Widerstände 11 bis 14 bestimmte Spannungsparameter sind. Als Nebenbedingung
für die Widerstandswerte gilt noch R1 44R2, R3.
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Insgesamt ergibt sich also am Ausgang des Verstärkers eine Signalspannung,
für die gilt kow (Md + Mds) ) ' n + D (E -n) (4)
Mit einem solchen
Signal kann die Steuereinrichtung 10 des Ergometers weitgehend vollständig geregelt
werden, wobei sich eine ín Fig. 4 mit /X2 b-æeichnete Kennlinie ergibt.
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In Fig. z bedeuten 20 ein Differenzverstärker, llf den ein drehmolueIltbhangiges
Spannungssignal UMd aufgeschaltet ist. In einer Eingangsleitung des Verstärkers
20 ist ein Schalter 21 über einen Widerstand 22 rnit Widerstandswert R5 angeschaltet.
Weiterhin sind noch die Widerstände 23 und 24 mit Werten R6 und R7 sowie ein Kondensator
25 zur Beschaltung des Verstärkers 20 notwendig. Soll am Ausgang des Verstärkers
20 ein leistungsproportionales Signal UMd n erhalten werden, so läßt sich dieses
Nultiplikationasignal durch drehzahlproportionales Schließen des Schalters 21 bilden.
Verwendet man als Schalter 21 einen elektronisch steuerbaren Schalters so lassen
sich dessen Schaltfreqzens und Schaltdauer einfach beeinflussen. Der Schalter 21
wird dazu von einem Monoflop 26 angesteuert, dessen Zeitimpuls T1 einstellbar ist.
Um nun die Lastabhängi.gkeit der Leistung auszuregeln, ist zusätzlich vorgesehen,
die Schaltzeit T des Schalters 21 drehzahlabhängig zu verändern, so daß sich T =
T1 + # T ergibt, Dies kann ganz einfach durch Beeinflussung des veränderbaren Zeitimpulses
T1 des Monoflop 26 zur Ansteuerung des Schalters 21 erfolgen, welches von einem
drehzahlabhängigen Signal des Ergometers angesteuert ist. Eine geeignete Versorgungsspannung
des Monoflops 26 wird über einstellbare Spannungsteiler in der Spannungseinheit
27 drehzahlabhängig gewonnen. Durch Wabl verschiedener Polarität kann dadurch das
teistungssignal in Abhängigkeit von der Drehzahl sowohl negativ als auch positiv
korrigiert werden.
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Mit der Schaltung gemäß Fig. 2 läßt sich also durch Multiplikation
einer drehmomenten abhängigen Spannung mit der Drehzahl ein Leistungssignal erzeugen,
das im Sinne der Kennlinienkorrektur beeinflußbar ist.
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Damit lassen sich Abweichungen der Kennlinien bei hoher Last zusätzlich
auskompensieren.
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In der Fig. 3 bedeuten 30 ein Sollwertgeber mit Innenwiderstand Ri.
Über die Widerstände 31 und 32 mit Werten R8 und R9 und dazwischengeschaltetem Schalter
33 sowie Kapazität 34 wird das Sollwertsignal zur Steuereinrichtung 10 gegeben.
Als Schalter 33 wird wiederum ein elektronisch steuerbarer Schalter verwendet. Der
Schalter 33 wird also mit einem weiteren Monoflop 36 mit Zeitimpuls T2 angesteuert,
das vom Drehzahlgeber des Ergometergetriebes getriggert wird. Ist der Schalter 33
geschlossen, wird die Ausgangsspannung des Sollwertgebers über den Widerstand R8
kurz geschlossen; der an die Steuereinrichtung 10 weitergeleitete Wert ist also
Null.
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Wird nun der Schalter 33 mit drehzahlabhängiger Periodizität angesteuert,
so läßt sich bei Drehzahl Null beim Schließen des Schalters und damit bewirkten
Kurzschluß der Sollwert unabhängig vom gewählten Lastwert auf Null einstellen, wogegen
mit steigender Drehzahl der Sollwert entsprechend den Öffnungszeiten des Schalters
33 ansteigt. Die Periodenzahl ist dabei der Drehzahl proportional. Oberhalb einer
vorgegeEenen Drehzahl, die die Untergrenze des Arbeitsbereiches darstellt, wird
die Periodenzeit kleiner als die Schaltdauer d.h. also der Schalter 33 ist dauernd
geöffnet. Über das Gl,ittungsglied mit Widerstand 32 mit Wert Rg und Kapazität 34
mit Wert C entsteht dann die Steuerspannung für die Steuereinrichtung 10; die Spannung
bleibt bei geöffnetem Schalter 33 konstant auf dem mit dem Sollwertgeber eingestellten
Wert und ändert sich auch bei höheren Drehzahlen nicht mehr.
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Durch die so beschriebene Schaltung läßt sich bei Vorgabe eines Sollwertes
der Tretleistung die Leistung sttig von Nullwert auf den Sollwert im Arbeitsbereich
des Ergometers einregeln. Die Schaltung arbeitet dabei stationär, d.h. sie ist unabhängig
von der Antretgechwindigkeit des Ergometerantriebs.
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In der Fig. 4 bedeuten N die Tretleistung als Funktion der Drehzahl
n. Der Arbeitsbereich des Ergometers ist schraffiert mit 40 gekennzeichnet; er liegt
üblicherweise zwischen 35 und 90 U/min. Verwendet man lediglich eine Grundkompensation,
so liegt aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit der Verlustleistung keine exakte
Drehzahlunabhängigkeit vor. Die entsprechende Kennlinie im Arbeitsbereich ist durch
41 gekennzeichnet. Wird nun eine zusätzliche Kompensation mittels Schaltung nach
Fig. 1 benutzt, so wird die Leistungskurve gedreht und verschoben. Die Verdrehung
bzw. Verschiebung läßt sich im einzelnen durch die Parameter D und e gezielt einstellen,
so daß im Ergebnis weitestgehende Parallelität der Kennlinie 43 zur Abzisse vorliegt.
Mit einer Schaltung nach Fig. 2 wird dabei die Parallelität der Kennlinien bei unterschiedlichen
Leistungswerten gewährleistet..Mit 43 ist weiterhin eine Anlaufkennlinie bis zum
Einlaufen in den Arbeitsbereich des Ergometers dargestellt, die durch eine Schaltung
nach Fig. 3 erzielt wird. Diese gewährlist ein kontinuierliches Ansteigen von Null
auf den mit dem Sollwertgeber 30 des Ergometers vorgegebenen Sollwert der Tretleistung.
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Mit der Erfindung ist also nun die Regelung eines Ergometers mit großer
Genauigkeit möglich. Dabei sind insgesamt nur solche technischen Mittel verwendet,
die keinen nennenswerten Mehraufwand für die Steuereinrichtung des Ergometers erfordern.
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4 Figuren 14 Patentansprüche
Zusammenfassung Ergometer
Die Erfindung bezieht sich auf ein Ergometer mit einem vom Probanden zu betätigenden
Antrieb, insbesondere Treteinrichtung. Bei den Ergometern des Standes der Technik
ist dem Antrieb eine Bremseinrichtung zur Definition der vom Probanden aufzubringenden
Leistung zugeordnet. Durch simultane Erfassung von Drehzahl und Drehmoment am Ergometergetriebe
kann die Bremseinrichtung bei Vorgabe eines leistungssollwertes über eine zugehörige
Steuer- und Regeleinrichtung weitgehend drehzahlunabhängig arbeiten. Dabei wird
im wesentlichen die Verlustleistung kompensiert. Erfindungsgemäß sind nun neben
der bekannten Grundkompensation der Verlustleistung zusätzliche Mittel (9-14, 20-28)
zur vollständigen Kompensation der Drehzahlunabhängigkeit der Leerlaufleistung und/oder
lastabhängigen Verlustleistung und damit bewirkten Veränderung der Bremsleistung
im Arbeitsbereich des Ergometers vorhanden. Neben der Elnminierung der Restfehler
läßt sich so auch ein kontinuierliches Einregeln der Leistung von Nullwert bis zum
Sollwert im Arbeitsbereich bewirken.
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FIG 1