DE3903579A1 - Einrichtung zum erkennen von drehgeschwindigkeitsaenderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erkennen von Drehgeschwindigkeitsänderungen eines rotierenden Körpers, insbesondere der Zahlenrollen oder der Rotorscheibe eines Elektrizitätszählers, mit feststehenden optoelektronischen Mitteln nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Einrichtung zum Erkennen von Drehgeschwindigkeitsänderungen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der US-PS 47 66 370 bekannt. Bei dieser Zählerprüfeinrichtung wird die Rotorscheibe eines Elektrizitätszählers durch ein optisches System abgetastet. Dazu sind auf der Rotorscheibe Marken in gleichmäßigem Abstand aufgetragen. Diese Marken werden von einer Lichtquelle beleuchtet und mit Hilfe eines optischen Systemes auf einem Lichtempfänger abgebildet. Beim Durchgang des Abbildes einer Marke über den Lichtempfänger wird ein Impuls erzeugt. Die entstehende Impulsfolge, die proportional der Drehzahl des Rotors ist, wird als Istwert an eine Auswerte­ einrichtung weitergeleitet. Der Sollwert stammt von einem Präzisionszähler, der parallel zum Prüfling an der gleichen Last angeschlossen ist und eine gleichartige Impulsfolge erzeugt. In der Auswerteeinrichtung werden die Frequenzen der beiden Impuls­ folgen verglichen. Abweichungen zwischen Ist- und Sollwert werden erkannt und an einer Anzeigeeinheit angezeigt.

Mechanische Beschädigungen oder Verschmutzungen auf der Ober­ fläche der Rotorscheibe können bei dieser Einrichtung als Marken interpretiert werden. Sie werden registriert und verfälschen die Messung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erkennen von Drehgeschwindigkeitsänderungen zu schaffen, bei der das von der Marke stammende Signal beim Durchgang über den Lichtempfänger ein besseres örtliches Auflösungsvermögen besitzt und der Einfluß von Verschmutzung und Beschädigung der Ober­ fläche des rotierenden Körpers auf die Auswertung des Signals minimal ist.

Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Erkennen von Dreh­ geschwindigkeitsänderungen,

Fig. 2 einen Signalverlauf bei der beschriebenen Einrichtung und

Fig. 3 eine Variante der Einrichtung nach der Fig. 1.

In der Fig. 1 bedeutet 1 eine Einrichtung zum Erkennen von Drehgeschwindigkeitsänderungen und 2 einen rotierenden Körper, der beispielsweise eine Zahlenrolle des Rollenzählwerkes eines Elektrizitätszählers sein kann. Der rotierende Körper 2 trägt auf einer seiner Stirnseiten gleichmäßig verteilte Marken 3, die sich von der übrigen Oberfläche des Körpers 2 optisch unterscheiden.

In der Einrichtung 1 befindet sich eine Lichtquelle 4. Die Lichtquelle 4 kann eine Leuchtdiode, eine Glühlampe oder eine andere möglichst punktförmige Lichtquelle sein. Das von der Lichtquelle 4 kegelförmig ausgestrahlte Licht wird von einer Linse 5 parallel gerichtet und über einen halbdurchlässigen Spiegel 6 und ein Fenster 7 auf den rotierenden Körper 2 geworfen. Ein Teil dieses Lichtes wird vom rotierenden Körper 2 reflektiert und gelangt über das Fenster 7 und den Spiegel 6 auf eine Sammellinse 8. Die Sammellinse 8 bündelt das Licht und konzentriert es in die Ebene eines Lichtempfängers 9. Es kann natürlich auch jede andere optische Einrichtung verwendet werden, die ein Bild der auf dem rotierenden Körper 2 befindlichen Marken 3 auf den Lichtempfänger 9 wirft.

Grundsätzlich sind der Einrichtung 1 vergleichbare Anordnungen auch anwendbar, wenn sich die Marken 3 nicht auf der Stirnseite, sondern auf dem Umfang des rotierenden Körpers 2 befinden. Auch können die Marken 3 lichtdurchlässige Öffnungen in der Ober­ fläche des rotierenden Körpers 2 sein. Im letzteren Fall muß dann ein entsprechender Teil der optischen Einrichtung auf derjenigen Seite des rotierenden Teiles 2 angeordnet sein, die der Lichtquelle 4 gegenüberliegt.

Der Lichtempfänger 9 besteht aus zwei Photodetektoren 10 und 10′ mit gleichen oder zumindest ähnlichen Kennlinien für die Intensität und die spektrale Zusammensetzung des verwendeten Lichtes. Die beiden Photodetektoren 10 und 10′ liegen in Richtung des Durchlaufes des Markenbildes dicht aneinander. Die beiden Ausgänge der Photodetektoren 10, 10′ sind in Differenz geschaltet, so daß ein Signal "Null" entsteht, wenn beide Photodetektoren 10 und 10′ mit identischem Licht und identischer Lichtstärke beleuchtet werden. Die Photodetektoren 10 und 10′ bilden also zusammen einen Photodifferenzdetektor.

Das Ausgangsignal V des Lichtempfängers 9 wird über eine Signalverarbeitungseinheit 11 als Istwert einem Regler 12 zugeleitet. Über einen zweiten Eingang wird dem Regler i 2 eine Führungsgröße F als Sollwert vorgegeben. Der Ausgang des Reglers 12 ist an einen Steuereingang eines Rechteck­ generators 13 angeschlossen, der eine Frequenz f erzeugt und z.B. ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) sein kann. Eine Leitung 14 verbindet den Ausgang des Rechteckgenerators 13 einerseits mit der Lichtquelle 4 und andererseits mit einer Auswerteeinrichtung 15, die wiederum mit einer Anzeige­ einrichtung 16 verbunden ist. Der Lichtempfänger 9, die Signal­ verarbeitungseinheit 11, der Regler 12, der Rechteckgenerator 13 und die Lichtquelle 4 bilden zusammen einen Regelkreis.

In der Fig. 2 ist der Verlauf des Ausgangssignales V des Lichtempfängers 9 während des Durchganges eines Markenbildes dargestellt. Für den gezeichneten Fall wurde angenommem, daß die Breite B des Abbildes einer Marke 3 und der Abstand L des Abbildes zwischen zwei Marken 3 gleich ist und daß B und L der Breite b eines Photodetektors 10, 10′ entsprechen. Unter dem Diagramm des Ausgangssignales V ist jeweils die Abdeckung des Lichtempfängers 9 durch das Abbild der Marke 3 dargestellt. Die Stellungen, an denen die beiden Hälften des Lichtempfängers 9 von gleichen Flächen des Markenbildes bedeckt sind, sind mit 0 bezeichnet. Ausgehend vom Wert 0, wenn beide Photo­ detektoren 10, 10′ beleuchtet sind, steigt das Ausgangssignal V linear an. Der Wert +1 wird erreicht, wenn der Photodetektor 10 ganz durch das Markenbild der Marke 3 abgedeckt ist. Nachher sinkt das Ausgangssignal V linear ab bis zum Wert 0, der erreicht wird, wenn beide Photodetektoren 10, 10′ durch das Markenbild abgedeckt sind. Das Ausgangssignal V sinkt anschliessend weiter ab. Der Wert -1 wird erreicht, wenn der Photodetektor 10 beleuchtet und der Photodetektor 10′ abgedeckt ist. Vom Wert -1 steigt das Ausgangssignal V wieder auf den Ursprungswert 0 an. Durch die Variation der Breite B einer Marke 3 und des Abstandes L zwischen zwei Marken 3 kann der Verlauf des Ausgangssignales V variiert werden. Für die richtige Arbeitsweise der Einrichtung ist es wichtig, daß das Ausgangs­ signal V eindeutige Nulldurchgänge aufweist.

Der rotierende Körper 2 in der Schaltung nach der Fig. 1 ist nun nicht dauernd, sondern intermittierend beleuchtet. Dementsprechend ist das Ausgangssignal V des Lichtempfängers 9 nicht kontinuierlich, wie in der Fig. 2 dargestellt, sondern zerhackt. Das zerhackte Ausgangssignal V wird nun in der Signal­ verarbeitungseinheit 11 mit einem Wechselspannungsverstärker verstärkt und anschließend gleichgerichtet. Das verstärkte und gleichgerichtete Ausgangssignal V wird dem Regler 12 als Signal V ₁ zugeleitet. Der Regler 12 vergleicht das Signal V ₁ mit der Führungsgröße F, die zu Null gewählt ist. Am Eingang des Reglers 12 wird also fortwährend ein Vergleich zwischen dem Signal V ₁ als Istwert und der Führungsgröße F als Sollwert mittels Differenzbildung vorgenommen.

Falls die Differenz zwischen Istwert und Sollwert ungleich Null ist, greift der Regler 12 über das durch den Rechteck­ generator 13 und die Lichtquelle 4 gebildete Stellglied in den Regelkreis ein und verändert die Frequenz f des die Licht­ quelle 4 speisenden Rechteckgenerators 13 so lange, bis ein stillstehendes Abbild der Marken 3 oder des Abstandes zwischen zwei Marken auf dem Lichtempfänger 9 erzeugt wird, so daß deren Ausgangssignal V gleich Null wird. Dem Regler 12 kann durch entsprechende Beschaltung zusätzlich integrierendes oder differenzierendes Verhalten gegeben werden, um einerseits Regel­ abweichungen vollständig zu beseitigen und andererseits das dynamische Verhalten des Regelkreises zu verbessern.

Die Auswerteeinrichtung 15 mißt die Frequenz f in festen zeitlichen Abständen und speichert die gemessenen Werte ab. Der aktuelle Wert der Frequenz f wird dabei fortlaufend mit dem zuletzt gemessenen Wert verglichen. Die Differenz der Frequenzen f zwischen zwei Messungen wird als Drehzahländerung in der Anzeigeeinheit 16 zur Anzeige gebracht.

Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann in der Signal­ verarbeitungseinheit 11 zusätzlich ein mit der Frequenz f betätigter Umschalter angeordnet sein. Der Umschalter leitet bei beleuchteten Marken 3 das verstärkte und gleichgerichtete Ausgangssignal V dem Regler 12 als Signal V ₁ zu. Bei nicht beleuchteten Marken 3 wird der Sollwert als Signal V ₁ dem Regler 12 zugeführt. Der Regelkreis wird dadurch blind für die Zustände, bei denen die Marken 3 nicht beleuchtet sind. Werden außerdem die Regelabweichungen derart abgespeichert, daß der Regler 12 auch bei nicht beleuchteten Marken 3 tätig ist, so wird aus dem Frequenzregelkreis ein Analogregelkreis.

Die beschriebene Einrichtung 1 bietet in bezug auf die Messung von Drehgeschwindigkeitsänderungen von rotierenden Körpern 2 einige Vorteile.

• - Der Sollwert ist ein fester Wert, der zu Null gewählt und damit auf einfachste Art gewonnen werden kann.
• - Der Arbeitspunkt des Lichtempfängers 9 liegt auf dem Nullpunkt der Empfangskennlinie. Dadurch wird die Messung unabhängig von Kennlinienänderungen der Photodetektoren 10, 10′.
• - Beschädigung oder Verschmutzung des rotierenden Körpers 2, ebenso Toleranzen in der Breite und im Abstand der Marken 3 werden ausgemittelt.
• - Durch entsprechende Verstärkung der Abweichungen des Ausgangssignales V vom Sollwert kann eine hohe Auflösung der Messung erreicht werden.
• - Das Meßverfahren ist unabhängig von der Intensität der Lichtquelle 4.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Einrichtung 1. Zwischen dem Lichtempfänger 9 und der Signalverarbeitungs­ einheit 11 ist bei dieser Ausführung ein Unterbrecher 17 eingefügt. Der Ausgang des Rechteckgenerators 13 ist über die Leitung 14 einerseits mit dem Unterbrecher 17 und andererseits mit der Auswerteeinrichtung 15 (Fig. 1) verbunden. Der Unter­ brecher 17, die Signalverarbeitungseinheit 11, der Regler 12 und der Rechteckgenerator 13 bilden zusammen einen Regelkreis.

Der rotierende Körper 2 ist bei dieser Ausführung dauernd beleuchtet. Das Ausgangssignal V des Lichtempfängers 9 ist dementsprechend stetig und entspricht dem in der Fig. 2 gezeichneten Verlauf. Der mit dem Ausgang des Rechteck­ generators 13 verbundene Unterbrecher 17 unterbricht das Ausgangssignal V des Lichtempfängers 9 mit der Frequenz f derart, daß die Amplitude des Signales V ₁ konstant, beispiels­ weise Null ist. Die Auswertung des Signales V ₁ ist gleich wie bei der Ausführung nach der Fig. 1.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 kann die Lichtquelle 4 außerhalb der Einrichtung 1 angeordnet sein. Der Aufbau der Einrichtung 1 wird dadurch entsprechend vereinfacht.

Die Einrichtung 1 eignet sich speziell zur Messung der Reibung an Rollenzählwerken für Elektrizitätszähler. Rollenzählwerke stellen eine mechanische Belastung des Elektrizitätszählers dar. Falls die Belastung gleichförmig ist, kann sie bei der Eichung des Elektrizitätszählers berücksichtigt werden. Trotz sorgfältiger Fertigung können bei einzelnen Rollenzählwerken ungleichförmige Belastungen auftreten, beispielsweise durch die Beschädigung der Fortschalteinrichtung einer Rolle oder durch das Klemmen eines Rollenpaketes im Zählwerkrahmen. Solche Rollenzählwerke sollten vor dem Einbau in den Elektrizitäts­ zähler ausgeschieden werden. Durch den Antrieb eines solchen Zählwerkes mit einem konstanten Drehmoment, beispielsweise mit einem Luftstrahl, der mit konstantem Druck auf das Antriebszahn­ rad des Rollenzählwerkes wirkt, und die Messung der reibungs­ bedingten Drehgeschwindigkeitsänderung der ersten Zahlenrolle kann auf die zu erwartende Belastung des Elektrizitätszählers geschlossen werden. Nach entsprechender Kalibrierung kann statt der Drehgeschwindigkeitsänderung die Reibungsänderung in der Anzeigeeinheit 16 zur Anzeige gebracht werden. Die Einrichtung 1 eignet sich somit zur Qualitätsüberwachung der Fertigung von Rollenzählwerken und ermöglicht eine Stückprüfung von Zählwerken mit vertretbarem Aufwand.

Der Einsatz von solchen Einrichtungen 1 ist natürlich nicht nur zur Messung der Drehgeschwindigkeitsänderungen bei Rollenzähl­ werken für Elektrizitätszähler möglich, sondern überall, wo Drehzahlen, Drehzahländerungen oder Drehgeschwindigkeits­ änderungen gemessen werden müssen.

Claims (11)

1. Einrichtung zum Erkennen von Drehgeschwindigkeitsänderungen eines rotierenden Körpers (2), insbesondere der Zahlenrollen oder der Rotorscheibe eines Elektrizitätszählers, mit auf dem rotierenden Körper (2) gleichmäßig verteilten Marken (3), die sich von der übrigen Oberfläche des Körpers (2) optisch unter­ scheiden, wobei die Marken (3) mit feststehenden opto­ elektronischen Mitteln abgetastet werden, mit mindestens einer Lichtquelle (4), welche den Körper (2) mit den darauf vorbei­ geführten Marken (3) beleuchtet, mit einer optischen Einrichtung zur Abbildung der Marken (3) auf einem Lichtempfänger (9), einem Sollwertgeber, einer Auswerteeinrichtung (15) und einer Anzeige­ einheit (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung inter­ mittierend erfolgt, daß der Lichtempfänger (9) aus mindestens zwei nebeneinander angeordneten Photodetektoren (10; 10′) besteht und daß ein Regler (12) angeordnet ist, der die Frequenz (f) der Abtastung derart nachführt, daß ein scheinbar stillstehendes Abbild der Marken (3) auf den Photo­ detektoren (10; 10′) entsteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Reglers (12) an einen Steuereingang eines Rechteck­ generators (13) angeschlossen ist, der die Frequenz (f) erzeugt.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Rechteckgenerators (13) mit der Lichtquelle (4) verbunden ist und die Lichtquelle (4) mit der Frequenz (f) derart gezündet wird, daß ein stillstehendes Abbild der Marken (3) auf den Lichtempfängern (9) entsteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Rechteckgenerators (13) mit einem Unterbrecher (17) verbunden ist und der Unterbrecher (17) mit der Frequenz (f) das Ausgangssignal (V) des Lichtempfängers (9) derart unterbricht, daß die Amplitude des Ausgangssignales (V) konstant ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (15) die Frequenz (f) in festen zeitlichen Abständen mißt und abspeichert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (15) die Differenz der Meßfrequenz (f) zwischen zwei Messungen bildet und als Drehgeschwindigkeits- oder Reibungsänderung in der Anzeigeeinheit (16) zur Anzeige bringt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (3) auf dem rotierenden Körper (2) derart angeordnet sind, daß das Ausgangsignal (V) des Lichtempfängers (9) eindeutige Nulldurchgänge aufweist, und daß eine Signalverarbeitungseinheit (11) zur Auswertung der Nulldurchgänge des periodischen Ausgangssignales (V) des Licht­ empfängers (9) vorhanden ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungseinheit (11) zwischen den Lichtempfänger (9) und den Regler (12) geschaltet ist und aus einem Wechselspannungsverstärker und einem Gleich­ richter besteht und daß der Regler (12) die Meßfrequenz (f) so lange ändert, bis das Ausgangssignal (V) des Lichtempfängers (9) minimal ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodetektoren (10; 10′) zusammen einen Photodifferenzdetektor bilden.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (3) lichtdurchlässige Öffnungen in der Oberfläche des rotierenden Körpers (2) sind.

11. Verwendung der Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Qualitätsüberwachung der Fertigung von Rollenzählwerken für Elektrizitätszähler.