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Geschwindigkeitsmeßsystem
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Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Geschwindigkeitsmeßsystem
mit einer in einer Brückenschaltung angeordneten Hitzdrahtsonde und mit einer Konstanttemperaturregelschaltung
für die Hitzdrahtsonde.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Geschwindigkeitsmeßsystems,
das die Geschwindigkeit eines Körpers gegenüber dem Boden aus der Geschwindigkeit
der den Körper umströmenden Luft vermittelt. Anwendungsgebiet der Erfindung ist
die Messung der Geschwindigkeit von Sportlern.
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Im einzelnen soll das Geschwindigkeitsmeßsystem nicht nur eine Ermittlung
der Momentangeschwindigkeit ermöglichen, sondern auch die Speicherung und Anzeige
der über eine Bezugszeit berechneten mittleren Geschwindigkeit, die Angabe des zurückgelegten
Gesamtweges, die Angabe der erreichten Spitzengeschwindigkeit und weiterer gewünschter
Werte.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:
a) innerhalb der Brückenschaltung ist parallel zur Hitzdrahtsonde ein Temperaturkompensationswiderstand
angeordnet; b) in Reihe zu dem Temperaturkompensationswiderstand enthält die Brückenschaltung
einen Abgleichwiderstand; c) das Ausgangssignal der Konstanttemperaturregelschaltung
wird in einer Linearisierungsschaltung linearisiert; d) das Ausgangssignal der Linearisierungsschaltung
wird in einem A/D-Wandler digitalisiert; e) die binären Ausgangssignale des A/D-Wandlers
werden über einen Multiplexer
weitergeleitet, der durch Abfragesignale
von Abfrageschaltern gesteuert wird; f) dem Multiplexer ist ein takt- und programmgesteuerter
Mikroprozessor mit Speicherplätzen für die Rechenergebnisse nachgeschaltet; g) die
Abfragesignale steuern den Abruf der Speicherplätze des Mikroprozessors, wobei die
Speicherwerte in einer Anzeigestufe angezeigt werden.
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Die Anwendung einer Hitzdrahtsonde zur Geschwindigkeitsmessung ist
in Strömungskanälen bereits bekannt. W. Wüst "Strömungsmeßtechnik", Seiten 85 und
146 bis 148; Messen + Prüfen", Bd, 16 (1980) H.
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10, Seite 679 ff.; H: Strickert "itzdraht- und Hitzfilnianemometrie,
VEB-Verlag Technik, Berlin. Die bekannten Anordnungen beschreiben Hitzdrahtsonden,
die in Strömungskanälen unter definierten Verhältnissen eingesetzt werden.
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Die Erfindung unterscheidet sich dadurch in nicht naheliegender Weise
vom Stand der Technik, als die Hitzdrahtsonde in der freien Natur im Sportbetrieb
eingesetzt wird, insbesondere für einen Skifahrer. Dieses bedingt, daß die Hitzdrahtsonde
wechselnden und ungünstigen Umweltbedingungen ausgesetzt wird. Der Energiebedarf
des gesamten Systems muß klein sein, damit die Bewegungsfähigkeit des Sportlers
nicht beeinträchtigt wird. Die Signalwerte und die Anzeigewerte werden in kleinräumigen
Bauelementen verarbeitet, gespeichert und aufgezeichnet.
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Ein besonders energiesparender Betrieb des Geschwindigkeitsmeßsystems
wird dadurch erreicht, daß die den Temperaturkompensationswiderstand und den Abgleichwiderstand
enthaltenden Brückenzweige einen wesentlich höheren Gesamtwiderstand als die übrigen
Brückenzweige haben.
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Eine Kompensation der Grundtemperatur wird dadurch in einfacher Weise
gewährleistet, daß der Temperaturkompensationswiderstand aus einer Reihenschaltung
eines Hitzdrahtes und eines Kohleschichtwiderstandes besteht.
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Eine genaue und sichere Einstellmöglichkeit für die Temperaturwerte
ergibt sich dadurch, daß der Abgleichwiderstand eine Rethen-Parallel-Schaltung von
drei Widerständen umfaßt, wobei ein Widerstand des Reihenzweiges als Einstellwiderstand
ausgebildet ist.
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Die Linearisierungsschaltung läßt sich in idealer Weise durch eine
Logarithmierschaltung verwirklichen.
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Eine Abfrage der gespeicherten Rechenwerte ist mit einem ver-
gleichsweise
geringen Schaltungsaufwand dadurch möglich, daß die Abfrageschalter einerseits den
Multiplexer umschalten und andererseits durch ihre logische Kombination die jeweilige
Abfragefunktion für die Speicherplätze des Mikroprozessors festlegen.
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Die Anzeigeschaltung ist dadurch an die Erfordernisse angepaßt, daß
die Anzeigeschaltung Decoder sowie Leuchtanzeigen für mehrere Dezimalstellen umfaßt.
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Den Einschaltzustand des Systems kann man unter Ausnutzung der vorhandenen
Schaltmittel dadurch anzeigen, daß der Punkt einer Anzeigestelle als Blinkzeichen
zur Anzeige des Meßzustandes des Systems dient. Im Meßzustand werden die Meßwerte
aufgenommen und in dem Mikroprozessor verarbeitet.
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Damit auch Zeitwerte sicher erkannt werden können, sieht die Erfindung
vor, daß der Punkt in der Hunderterstelle der Anzeige als Trennungssymbol für Stunden
und Minuten dient und über eine logische Schaltung angesteuert wird, die die Signalwerte
der Abfrageschalter verknüpft.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen: Fig. 1 ein Teilblockschaltbild
des Geschwindigkeitsmeßsystems nach der Erfindung, Fig. 2 ein weiteres Teilblockschaltbild,
das sich rechts an das Teilblockschaltbild der Fig. 1 anschließt und Fig. 3 eine
Einzeldarstellung einer Schaltstufe.
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Das Geschwindigkeitsmeßssystem nach der Erfindung umfaßt eine Meßwertaufnehmerstufe
1, eine Linearisierungsschaltung 2, eine Invertierstufe 3, einen A/D-Wandler 4,
einen Multiplexer 5, einen Microprozessor 6, einen Decoder 7 sowie eine Anzeigestufe
8. Außerdem ist eine Gruppe von Abfrageschaltern 9 vorgesehen, in dem Ausführungsbeispiel
drei Abfrageschalter S1, S2, S3.
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Die Meßwertaufnehmerstufe umfaßt eine Brückenschaltung 10, deren
Brückenzweige eine Hitzdrahtsonde 11, einen Festwiderstand 12, einen Temperaturkompensationswiderstand
13 und einen Abgleichwiderstand 14 in bekannter Anordnung umfassen. Der Abgleichwiderstand
umfaßt eine Reihenparallelschaltung von drei Widerständen 15, 16 und 17, wobei ein
Widerstand 17 des Reihenzweiges als Einstellwiderstand ausgebildet ist.
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Die Brückenspannung wird in einem Regelkreis verstärkt. Der Regelkreis
umfaßt einen Operationsverstärker 18 und eine Steuerstufe 19
für
den Brückenstrom. Die Zenerdiode 20 ermöglicht einen Stromfluß durch die Brückenschaltung
im Einschaltmoment. Im Betrieb ist die Zenerdiode 20 stromlos. Die Brückenschaltung
ist auf eine konstante Temperaturdifferenz zwischen der Hitzdrahtsonde 11 und dem
Temperaturkompensationswiderstand 13 eingestellt. Diese Betriebsbedingung wird bekanntlich
durch eine Konstantstromregelung eingehalten. Diese Temperaturdifferenz wird im
Hinblick auf einen geringen Energieverbrauch so geregelt, daß man gerade eine gut
auswertbare Kennlinie erhält. Versuche an einem Ausführungsbeispiel haben eine Temperaturdifferenz
von 95 K als geeignet ergeben.
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änderungen der Grundtemperatur oder Umgebungstempearur werden durch
den Temperaturkompensationswiderstand 13 kompensiert. Der Temperaturkompensationswiderstand
13 ist eine Reihenschaltung eines Hitzdrahtes und eines Kohleschichtwiderstandes.
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Mit Hilfe des Abgleichwiderstandes 14 kann man die Brückenschaltung
justieren. Zur Energieeinsparung haben der Abgleichwiderstand 14 und der Temperaturkompensationswiderstand
13 einen wesentlich hbheren Gesamtwiderstand als die Hitzdrahtsonde 11 und der Festwiderstand
12.
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Bei einer solchen Konstanttemperaturschaltung stellt der in der beschriebenen
Weise geregelte Strom durch die Brilckenschaltung ein Maß für die Temperatur der
Hitzdrahtsonde bzw. die Temperaturdifferenz zwischen Hitzdrahtsonde 11 und Temperaturkompensationswiderstand
13 dar. Eine dem Strom entsprechende Spannungsgrbße kann als Meßspannung am Ausgang
21 abgenommen werden. Die Meßspannung am Ausgang 21 ist also ein Maß für die jeweilige
Temperatur der Hitzdrahtsonde 11.
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Die Temperatur der Hitzdrahtsonde 11 hängt ihrerseit von den AbkUhlbedingungen,
also letzten Endes von der Luftgeschwindigkeit über der Hitzdrahtsonde 11 ab. Infolgedessen
ist diese Ausgangsspannung am Ausgang 21 ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit
der Hitzdrahtsonde in der umgebenden Luft.
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Die Ausgangsspannung am Ausgang 21 der Meßwertaufnehmerstufe 1 hängt
nach dem Kingschen Gesetz etwa parabelförmig von der Strömungsgeschwindigkeit ab.
Für die weitere Auswertung des Ausgangssignals muß dasselbe linearisiert werden.
Dieses geschieht in der Linearisierungsschaltung 2. Aufgrund der durchgeführten
lJntersuchungen hat sich ergeben, daß als Linearisierungsschaltung 2 eine Logarithmierschaltung
geeignet ist. Am Ausgang 22 dieser Logarithmierschaltung 2 steht dann ein Ausgangssignal
bereit, das linear von der Strömungsgeschwindigkeit am Ort der Hitzdrahtsonde 11
abhängt.
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In einer Invertierstufe 3 wird dieses linearisierte Ausgangssignal
aus meßtechnischen Gründen in seiner Polarität umgekehrt. Der Ausgang A der Invertierstufe
3 ist mit dem Eingang A des A/D-Wandlers 4 verbunden.
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Der A/D-Wandler 4 ist auf die Größe und Genauigkeit der zu erwartenden
Meßwerte abgestimmt. Der A/D-Wandler 4 hat ein 8-Bit-Ausgangssignal. Hiervon werden
7 Bit ausgenutzt, weil die Meßspannung den Wert 0 nicht annehmen kann. Die 7 Bit
BO, B1...B6 ermöglichen die digitale Darstellung von 128 Stufen. Wenn man einer
Stufe eine Geschwindigkeitsdifferenz von 1 km/h zuordnet, so beträgt der gesamte
Meßumfang 127 km/h. Dieses reicht für praktische Bedürfnisse bei Sportlern völlig
aus.
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Vier Ausgänge des A/D-Wandlers 4 sind direkt an die entsprechenden
Eingänge des }Ekroprozessors 6 gelegt. Die weiteren drei Ausgänge B4, B5, B6 des
A/D-Wandlers sind über den Multiplexer 5 zu den entsprechenden Eingängen des Mikroprozessors
6 geführt. Der Mikroprozessor 6 ist ein Mikroprozessor mit universellem Festprogramm.
Der Mikroprozessor ist weitgehend frei programmierbar, wobei das Programm in einem
Festwertspeicher gespeichert ist. Außerdem verfügt der btikroprozessor 6 über zahlreiche
Speicher für die Rechenergebnisse. Der Mikroprozessor 6 ist getaktet und übernimmt
jeweils nach Ablauf vorgegebener Taktintervalle die von dem A/D-Wandler anstehenden
Meßwerte, die nach dem Rechenprogramm verknüpft werden. Es werden jeweils die gefahrene
Wegstrecke, die Maximalgeschwindigkeit über eine vorgegebene Meßzeit, die Gesamtmeßzeit,
die Durchschnittsgeschwindigkeit während der Meßzeit und weitere Größen ermittelt,
die in entsprechenden Speichern festgehalten werden.
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Die Schalter 9 ermöglichen eine Umschaltung des Systems in Meß-und
Abragebetrieb. Neben den Abfrageschaltern S1, S2, S3 ist ein Betriebsartschalter
S4 vorhanden.
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In Fig. 1 befindet sich der Betriebsartschalter S4 in Abfragestellung,
so daß der Eingang SB des Multiplexers 5 einen H-Wert führt. In diesem Zustand werden
die Meßdaten nicht zum Mikroprozessor durchgelassen. Vielmehr werden die Spanungspegel
der Abfrageschalter S1, S2, S3 an den Eingängen AO, Al, A2 des Multiplexers 5 zum
Mikroprozessor 6 durchgelassen. Die Schalter S1, S2, S3 ergeben insgesamt sieben
nutzbare Schalterkombinationen, gemäß der nachfolgenden Tabelle.
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S1 S2 S3 X Vml maxim. Geschwindigkeit km/h X Vm2 X X Vm3 X V mittl.
Geschwindigkeit km/h X X S Wegstrecke km X X Zeit Stunden/ Minuten X X X Zeit Sekunden
Das Meßsystem kann in der dargestellten Ausführungsform verschiedene Maximal geschwindigkeiten
ermitteln, die während der Dauer von 1, 2 und 3 Sekunden vorhanden sind. Ferner
wird eine mittlere Geschwindigkeit während der gesamten Meßzeit ermittelt. Außerdem
steht die Wegstrecke während der gesamten Meßzeit zur Verfügung. Schließlich wird
auch die gesamte Meßzeit in Stunden, Minuten und Sekunden angezeigt. Selbstverständlich
sind auch andere Schalterkombinationen und Meßwerte möglich.
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Die Programmierung des Mikroprozessors 6 wird nicht weiter erläutert.
Die im Abfragebetrieb an den Ausgängen des Mikroprozessors bereitstehenden Ausgangssignale
werden in die Decoder 7 eingegeben und in den Anzeigestufen 8 angezeigt. Es kann
sich um eine LED-Anzeige oder um eine LCD-Anzeige handeln.
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Beim Umschalten des ßetriebsartschalters S4 auf Meßbetrieb liegt
am Eingang SA des Multiplexers ein H-Pegel an. In diesem Zustand läßt der Multiplexer
5 die Ausgangssignale des A/D-Wandlers 4 zum Mikroprozessors 6 durch. Entsprechend
der Taktung des Mikroprozessors werden die Signale übernommen und nach dem Rechenprogramm
verarbeitet. Die Meßwerte werden gespeichert und stehen dann für einen Abruf in
dem beschriebenen Abfragebetrieb zur Verfügung. Der Aufnahme- und Meßbetrieb wird
durch ein in der Schaltstufe 23 erzeugtes Blinksignal in dem Punkt der Zehnerstelle
81 der Anzeigestufe 8 angezeigt. Im Aufnahme- und Meßbetrieb blinkt der Punkt in
der Zehnerstelle 81 mit einer Frequenz von 0,5 Hz.
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Der Punkt in der Einerstelle 80 der Anzeigestufe 8 bleibt unbenutzt.
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Bei der Anzeige der Meßzeit in Stunden und Minuten wird der Punkt
in der Hunderterstelle 82 der Anzeigestufe 8 erregt. Die entsprechende Signalkombination
der Abfragesignale wird in der logischen
Schaltung der Fig. 3 erfaßt.
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Das Geschwindigkeitsmeßsystem nach der Erfindung ermöglicht die Ermittlung
von Maximalgeschwindigkeiten und mittlerer Geschwindigkeit von Sportlern, insbesondere
Skifahrern. Es hat sich gezeigt, daß bei der mittleren Geschwindigkeit infolge von
Änderungen der Fahrtrichtung ein recht genauer Wert erzielbar ist, da sich über
längere Zeit Turbolenzen und Richtungsänderungen im wesentlichen ausgleichen.