-
Verfahren zur lichtelektrischen Erfassung von Drehzahlen und Drehzahldifferenzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Licht elektrischen Erfassung von Drehzahlen
und Drehzahldifferenzen, das insbesondere zur Prüfung von Zählern, Uhren usw. geeignet
ist. Es kann aber darüber hinaus überall Anwendung finden, wo die Drehzahlabweichung
einer Welle von einer Normaldrehzahl angezeigt oder registriert werden soll.
-
Schließlich eignet es sich auch für Regelanordnungen, bei denen die
Drehzahl einer Welle der einer anderen oder einer Normaldrehzahl folgen soll.
-
Das e,rfindungsgemäße Verfahren baut auf den bekannten, lichtelektrischen
Anordnungen auf, bei denen die Größe des Lichtstromes wenigstens eines auf einen
Ausschnitt der mit Flächen u.nterschiedlichen Reflexion.s- oder Durchlässigkeitsvermögen
versehenen Anordnung, deren Drehzahl zu erfassen ist, auftreffenden Lichtstrahles
durch diese drehzahlahhängig moduliert und in einer lichtelektrischen Zelle in eine
ihr entsprechende elektrische Größe umgesetzt wird. Bei den bekannten Anordnungen
ist die Frequenz des dadurch hervorgerufenen P,hoteWechselstromes Null' bei der
Drehzahl Null und erreicht ihren Maximalwert bei der,höchsten Drehzahl. Ein an die
Photozelle an geschlostsener Verstärker muß aus diesem Grunde ein Breitbandverstärker
sein. Da fast immer die lichtelektrisch erzeugten Spannungen klein sind und oft
in der Größenordnung der Störspannungen liegen, ist ein einwandfreies Arbeiten mit-den
be-
kannten Anordnungen kaum oder niir unter großen Schwierigkeiten
möglich; denn der erforderliche Breitwandverstärker verstärkt in gleicher Weise
die. Nutz- und Störspannungen.
-
Diese Nachteile besitzt auch eine andere bekannte Einrichtung zur
Geschwindigkeitsmessung mit einer vor einer lichtelektrischen Zelle vorbeigeführten,
eine der Geschwindigkeit proportionale Frequenz elektrischer Stromstöße erzeugenden
Vorrichtung, die gekennzeichnet ist durch zwei zwischen Lichtquelle und Zelle angeordnete
Lochscheiben mit gleicher oder wenig verschiedener Lochzahl, von denen die eine.
ortsfest ist oder mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird und die andere mit
der zu messenden Geschwindigkeit bewegt wird, da auch bei dieser Einrichtung die
Drehzahlen der zusätzlichen Lochscheiben die Größenordnung der zu messenden Drehzahlen
haben.
-
Erfindungsgemäß wird daher ein Verfahren zur lichtelektrischen Erfassung
von Drehzahlen und D rchzahldi fferenz en vorgeschl-agen, bei dem die Größe des
Lichtstromes wenigstens eines auf einen Ausschnitt der mit Flächen unterschiedlichen
Reflexions- oder Durchlässigkeitsvermögen versehenen Anordnung, deren Drehzahl zu
erfassen ist, auftreffenden Lichtstrahles durch diese drehzahlabhängig moduliert
und in einer lichtelektrischen Zelle in eine ihr entsprechende elektrische Größe
umgesetzt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Größen der auf die einzelnen
Flächenelemente des - Ausschnittes der Anordnung gelangenden oder der von diesen
ausgehenden Teillichtströme in zyklischer Folge zusätzlich drehzahlunabhängig mit
einer Frequenz, die um wenigstens eine Größenordnung größer ist als die Drehzahl
abhängige Modulationsfrequenz, derart moduliert werden, daß die jeweilfig,e Anzahl
der durch die zusätzliche Modulation in -gleicher Weise beeinflußten Teillichtströme
bei ständiger Änderung ihrer räumlichen Lage gleichbleibt, so daß die Frequenz des
auf die lichtelektrische Zelle fallenden Gesamtwechsehichtstromes eine der Drehzahl
der Anordnung proportionale Komponente enthält Bei diesem Verfahren wird durch eine
geeignete Abtastung schon beim Stillstand der Achse, Scheibe od dgl. eine relativ
hohe Grundfrequenz erzeugt, der sich. eine kleinere der zu messenden Drehzahl proportionale
Frequenz additiv überlagert. Es kann somit an die Photozelle ein selektiver bzw.
Resonanzverstärker mit enger Bandbreite angeschlossen werden, der äußerst wirksam
Störspannungen unterdrückt und auf unvermeidliche Unregelmäßigkeiten der Markierungen
nicht anspricht. Die drehzahlunahhängige Modulation der Teillichtströme kann mittels
einer Reihe mit konstanter, um wenigstens eine Größenordnung als die der zu messenden
Drehzahl entsprechenden Geschwindigkeit größerer Geschwindigkeit an einer festen
Blende vorbeibewegter gleichartiger Blenden erfolgen, die eine konstant bleibende
Fläche der Blendenöffnung der festen Blende abdecken.
-
Als bewegte Blenden können Trommeln oder Scheibe ben dienen, die mit
Schlitzen versehen sind und mit konstanter Geschwindigkeit rotieren, von denen ein
durch die feststehende Blende begrenzter Ausschnitt auf die zu messende Anordnung
abgebildet wird. Diese Abbildung kann auch in umgekehrter Reihenfolge erfolgen.
Ein derartiges Verfahren eignet sich zum Drehzahlvergleich, z. B. bei der Zählerprüfung,
indem in zwei gleichartigen Anordnungen durch die modulierten Lichtströme bewirkten
Ausgangsspannungen oder Ausgangsströme zur Anzeige auf eine Braunsche Röhre gegeben
werden.
-
Das erhndungsgemäße Verfahren und die Einrichtung zu seiner Durchführung
seien daher nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen aus dem Gebiet der Zählerprüfung
näher erläutert. Hierbei wird die Drehzahl eines Prüflings mit der eines Normalzählers
oder einer Normalfrequenz verglichen.
-
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Abtestung dargestellt. Eine
Lichtquelle I beleuchtet von innen über einen Kondensator 2 eine Schlitztrommel
3, die von einem Motor 4 angetrieben wird. Das durch die Trommel nach außen tretende
Licht wird durch eine Blende 5 derart begrenzt, daß das Objektiv 6 nur eine ganze
Zahl von Teilungen, d. h. Schlitzen und Stegen, auf dem Rand einer bedruckten Zählertriebscheibe
7 abbildet. Das reflektierte Licht fällt entweder unmittelbar oder mittelbar über
die Optik 8 auf die Photozelle 9.
-
Bei einer gleichmäßig reflektieren.den Zählertriebscheibe 7 würde
die Photozelle g von einem Gleichlicht getroffen werden, wie aus den Fig. 3 a und
3 b hervorgeht. In Fig. 3 a sind einige Lichtbündel schraffiert angedeutet Die begrenzende
Wirkung der Blende 5 ist durch die beiden seitlichen gestrichelten Linien dargestellt.
Die Blendenbreite entspricht in der Darstellung einer Breite von drei Teilungen,
d. h. drei Schlitzen und drei Stegen der Schlitztrommel 3. Das in Bewegungsrichtung
(durch einen Pfeil angedeutet) vordere Lichtbündel ist gerade im Verschwinden begriffen.
Dafür schiebt sich am rückwärtigen Ende ein neues Lichtbündel ins Blickfeld. Eine
von den in Pfeilrichtung bewegten Lichtbündeln betroffene, gleichmäßig reflektierende
Fläche würde einen konstanten Lichtstrom zurückwerfen, der keinerlei Wechsellichtkomponente
enthält. Wenn die Lichtbündel jedoch auf eine' mit äquidistanten Markierungen versehene
Fläche, z. B. den bedruckten Rand einer Zählertriebscheibe, fallen, besitzt schon
bei ruhender Scheibe das reflektierte Licht eine Wechsellichtkomponente. Ein Ausschnitt
einer bedruckten Zähiertriebscheibe ist in Fig. 3 b dargestellt. Aus Gründen der
Ubersichtlichkeit sind die Lichtbündel der Fig. 3 a und die Markierungen der Fig.
3 b übereinandergezeichnet. Der Abstand der Lichtbündel untereinander und der Druckmarkenabstand
müssen dabei gleich sein. Treffen die Lichtbündel auf unbedruckte Stellen des Zählertriebscheibenrandes,
dann wird relativ viel Licht reflektiert.
-
Fallen sie dagegen auf die schwarzen Druckmarken, dann wird nur wenig
Licht zurückgeworfen. Da die Lichtbündel in rascher Folge über die Mar-
kierungen
hinweggehen, wird das reflektierte Licht moduliert. Die Grundfrequenz der Modulation
ist gleich dem Produkt aus der Schlitzzahl und der Umlaufsfrequenz der Schlitztrommel
3. Wenn sich nun die Zählertriebscheibe 7 dreht, dann erhöht oder erniedrigt sich
die Frequenz der Wechsellichtkomponente des reflektierten Lichtes.
-
Bei den in Fig. 3 b angenommenen Drehrichtungen tritt eine Erhöhung
der Frequenz der Wechsellichtkomponente ein, da die Relativgeschwindigkeit zwischen
den Lichtbündeln und den Druckmarken größer wird. Die durch die Rotation der Zählertriebscheibe7
bedingte Frequenzerhöhung ist gleich dem Produkt aus der Anzahl der Markierungen
und der Umlaufsfrequenz der Zählertriebscheibe. Treibt man z. B. die Schlitztrommel
3 durch einen mit 50 Hz gespeisten schnell laufenden Synchronmotor an und beträgt
die Umlaufs frequenz der Zählerscheibe maximal etwa~ 1,5 Hz, so bedeutet das, daß
die Frequenz des Wechsellichtes, das auf die Photozelle trifft, bei 400 Marken auf
dem Rand der Zählertriebscheibe zwischen Stillstand und Vollast des Zählers sich
von 5000 Hz bis 5600 Hz erstreckt. Der Verstärker braucht also nur für das Frequenzband
zwischen diesen beiden Werten ausgelegt zu sein.
-
Eine ähnliche Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser fällt
das Licht einer Lichtquelle II über eine Kondensorlinse 12 durch eine Schlitztrommel
13. Über eine Linse I6 wird die Blende I5 auf dem Rand der Zählertriebscheibe I7
abge- -bildet und dort so reflektiert, daß die optischen Achsen des einfallenden
und des reflektierten Lichtbündels zusammenfallen. Zwischen Blende 15 und Linse
I6 befinden sich zwei mit ihren Grundflächen zusammengekittete Prismen 10. Die Grundfläche
des einen Prismas ist halbdurchlässig verspiegelt.
-
Durch diese Grundfläche geht das einfallende Licht zum Teil hindurch.
Das von der Scheibe I7 zurückgeworfene Licht wird zum Teil von der Prismengrundfläche
auf die Photozelle 19 reflektiert. Die weitere Wirkungsweise gleicht im übrigen
der in Fig. I dargestellten Anordnung.
-
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der Lichtquelle und Photozelle vertauscht
sind. Von einer Lichtquelle 21 wird über eine Linse 22 der eine Ausschnitt des Randes
der Zählertriebscheibe 27. beleuchtet. Das dort reflektierte Licht wird durch eine
Linse 26 auf die Blende 25 geworfen. Das durch die Blende hindurchgehende Licht
durchsetzt die Schlitze der Trommel 23 und fällt auf die Photozelle 29. Bei dieser
Anordnung wird durch die Schlitze der Trommel die Lichtstärke der einzelnen Lichtbündel
so moduliert, daß bei gleichmäßig reflektierender Zählertriebscheibe 27 die Photozelle
von einem koristanten Lichtstrom getroffen werden würde Durch den ein unterschiedliches
Reflexionsvermögen aufweisenden Rand der Zählertriebscheibe 27 wird der Lichtstrom
selbst noch moduliert, so daß auf die Photozelle Wechsellicht fällt.
-
Die Fig. 5 bis 8 zeigen Beispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die Anwendung auf die lichtelektrische Zählerprüfung. In Fig. 5 ist mit 30 die
Triebscheibe des zu prüfenden Zählers bezeichnet, die in der angegebenen Weise in
der Photozelle 31 einen Wechselstrom hervorruft, der am Ausgang des Verstärkers
32 eine Wechselspannung erzeugt, die unmittelbar auf das eine Plattenpaar eines
- Kathodenstrahl-Oszillographen 34 gegeben wird. Über einen Phasenscheiber 33 wird
die um go0 in der Phase gedrehte Spannung an das andere Plattenpaar gelegt. Die
Systemscheibe 37 eines Vergleichszählers ruft in der gleichen Weise in der Photozelle
36 eine Wechselspannung hervor, dre im Verstårker3s verstärkt zur Helligkeitssteuerung
dem Wehneltzylinder der Braunschen Röhre 34 zugeführt wird. Es entsteht dabei auf
dem Leuchtschirm das in Fig. 6 dargestellte Bild; Der schraffiert angedeutete Leuchtfleck
läuft auf einem Kreis um, wenn die beiden Zähler eine unterschiedliche Drehzahl
aufweisen, und steht bei gleicher Drehzahl beider Zähler still.
-
Statt in Polarkoordinaten gemäß Fig. 6 läßt sich der Drehzahlvergleich
auch, wie in Fig. 7 auge deutet, in kartesischen Koordinaten darstellen. Ein hierzu
geeignetes Blockschema zeigt Fig. 8. Der durch Reflexion eines Lichtbündes an der
Zählertriebscheibe 40 des zu prüfenden Zählers in der Photozelle 41 hervorgerufene
Wechselstrom erzeugt nach Verstärkung im Verstärker 42 an dem einen Plattenpaar
der Braunschen Röhre44 eine Wechselspannung, die einen mehr oder minder sinusförmigen
Linienzug auf dem Schirni schreibt.
-
Durch die ~ Zählertriebscheibe 47 eines . Normalzählers wird über
die Photozelle 46 und den Verstärker 45 die übliche sägezahnförmige Kippspannung
an den Zeitplatten der Röhre 44 synchronisiert. Die Ablenkspannung der Zeitplatten
kann aber auch unmittelbar vom Verstärker 45 geliefert werden. In beiden Fällen
wird der Linienzug auf dem Schirmbild je nach der Drehzahldifferenz nach der einen
oder anderen Seite auswandern und nur bei Frequenzgleichheit stillstehen.
-
Selbstverständlich sind in den Anordnungen nach den Fig. 5 und 8
die Rollen vom Normalzwåhler und Prüfling vertauschbar. Ebenso kann statt des Normalzählers
eine dem Lastzustan.d des zu prüfenden Zählers entsprechende Normalfrequenz verwendet
werden.