SE430363B - Digital hastighetsmetare - Google Patents

Description

l5 20 25 30 35 helst. Mätnoggrannheten är inte särskilt god och instrumentet kräver kalibrering då och då om man vill veta något om mätnoggrannheten.

På senare tid har offentliggjorts en del anordningar, som avser elektriska mätutrustningar, även digitala sådana. De har i allmän- het avsett delar av en komplett utrustning. På allra senaste tiden har man diskuterat att, mest på grund av att man tvingas minska bränsleförbrukningen, förse bilarna med en dator, och då skulle man sannolikt också få möjlighet till digital indikering även av bl a hastigheten. Datorn innebär dock en komplicering och fördyring av bilarna. Föreliggande uppfinning ger möjlighet till digital visning av hastigheten utan att man behöver använda en dator.

I en bil med digital indikering av hastigheten enligt uppfin-- ningen kan displayen, som består av ett anta] sifferindikatorer och som visar hastigheten i siffror, placeras över instrumentbrädan rakt 'framför föraren, så att hans blickriktning vid avläsning av hastig- heten praktiskt taget sammanfaller med blickriktningen mot körbanan framför fordonet. Detta bör rimligen bidra till att öka trafiksä- kerheten och det tröttar föraren mindre än om han ibland måste se på körbanan och ibland avläsa ett visarinstrument nedanför instrument- brädan. ' Tillryggalagd vägsträcka bestämmes genom räkning av pulserna från en pulsgivare vid kardanaxeln under en viss bestämd mätperiod.

Längden av denna bestämmes av en kvartskristall varigenom man får t ett fel i mätperiodens längd som kan försummas vid sidan av övriga mätfel.

Möjligheten för föraren att avläsa hastigheten i siffror prak- tiskt taget utan att lämna körbanan med blicken och metoden att an- vända en kvartskristall för att ge en mycket noggrann längd på mät- perioden och därmed en mycket god mätnoggrannhet på hastighetsmät- ningen är de nya och mycket väsentliga fördelarna med uppfinningen framför hittills använda hastighetsmätare. a Uppfinningens funktion klargöres närmare genom nedanstående beskrivning av ett utföringsexempel.

Displayen uppdateras med korta tidsintervall med nya mätvär- den för att indikeringen snabbt skall följa hastighetsändringarna hos fordonet. Föraren måste dock hinna avläsa ett värde på hastig- l0 15 20 25 30 heten innan det bytes mot ett nytt, kanske annat mätvärde. Det har visat sig att uppdateringsfrekvensen lämpligen bör ligga i inter- vallet 0,5 - 2 uppdateringar per sekund. Hastighetsmätaren enligt uppfinningen använder samma uppdateringsintervall vid alla hastig- heter. Ca en uppdatering per sekund är ett mycket lämpligt värde och därför räknas med detta i nedanstående utföringsexempel. Varje mätning får då ta högst en sekund. Lämpligast är att mätningen gö- res under en sekund; när mätperioden är slut uppdateras displayen med det uppmätta värdet och detta får stå kvar på displayen under den följande sekunden medan en ny mätning göres. I varje ögonblick visas då medelhastigheten under den föregående mätperioden. Pâ det- ta sätt får man en kontinuerlig indikering med momentana ändringar en gäng per sekund om hastigheten ändrat sig. Om hastigheten är konstant kommer i alla fall ett nytt mätvärde men med sænna siffror som under närmast föregående sekund. Använder man för indikeringen t ex LED-displayer så kan byte av mätvärde lätt göras på några tio- tals mikrosekunder och ett avbrott av denna storleksordning kan inte uppfattas av det mänskliga ögat. Om man vill att hastighetsmätaren skall fungera upp till 200 km/h, vilket är tillräckligt för vanliga bilar, har man l/200 sekund dvs 5000 mikrosekunder på sig för att förbereda nästa mätning. I nedanstående utföringsexempel reserve- ras ca 20 mikrosekunder för byte av mätvärde, därefter följer ett tidsmellanrum på ca 20 mikrosekunder och sedan reserveras ca 20 mikrosekunder för nollställning av räknarna, se nedan. Det är lämp- ligt att lägga in ett tidsmellanrum för att man inte skall riske- ra att nollställningspulsen till räknarna också nollställer disp- layen. Med nämnda tider finns mycket god marginal och hastighets- mätaren kan om så önskas börja en ny mätperiod redan vid nästa impuls från givaren.

Räknarna, se nedan, är så anordnade att antalet räknade pul- ser under mätperioden, eventuellt dividerat med en multipel av l0, direkt anger hastigheten i riktig sort, i detta fall kilometer per timme, km/h.

För att räknarna bara skall ge ett litet bidrag till totala mätfelet är antalet pulser i utföringsexemplet valt så att det är tio gånger den siffra som anger hastigheten. vid 50 km/h får man lO l5 20 25 30 35 alltså 500 pulser, vid l00 km/h får man l000 pulser från givaren under mätperioden. Räknarna räknar fyra dekader. Den minst signi- fikanta dekaden visar alltså tiondels km. Man kan låta bli att visa den siffran på displayen. Man kan också visa den. Om man vill ta de- cimalsiffran på allvar måste man dock tänka på hur slitna däcken är, skillnaden mellan nya och slitna däck kan ge ett fel i hastighets- mätningen som är mer än en procent.

Hastighetsmätningen sker enligt uppfinningen med hjälp av en pulsgivare som t ex kan vara monterad på kardanaxelns medbringare framför bakaxelväxelns hus. Den ger en pulsfrekvens som är propor- tionell mot bilens hastighet; Mätningen sker genom att man räknar pulser från givaren under en viss bestämd mätperiod.

För att man skall få god noggrannhet pâ hastighetsmätningen måste mätperiodens längd vara mycket noggrant bestämd. ' 0 Principen för digital indikering gör att felet i indikeringen är fl enhet i sista siffran É felet hos mätutrustningen. 0m display- en visar tre siffror är alltså felet vid t ex l00 km/h l % É felet hos mätutrustningen. Om displayen visar fyra siffror är felet 0,1 % f felet hos mätutrustningen. önskemålet blir då att felet hos mät- utrustningen om tre siffror visas skall vara litet eller försumbart i förhållande till l%, om fyra siffror visas skall det vara litet eller försumbart i förhållande till 0,l%.

Föreliggande uppfinning har löst problemet på följande sätt. Man använder en kvartskristall med en frekvens på några MHz. Kristaller för dessa frekvenser har bättre långtidsstabili- tet vid stora temperaturvariationer än kristaller för låga frek- venser t ex de kristaller på 32768 Hz som användes i kvartsklockor för inomhusbruk och i armbandsur. Kristallens frekvens kan ändras mycket obetydligt genom att man ändrar en kapacitans i kristallens svängningskrets. Detta är en vanlig metod för justering av klockor med kvartskristall. Om en biltillverkare skulle vilja använda en hatighetsmätare med kvartskristall krävs emellertid större flexi- bilitet. Man kan av praktiska och ekonomiska skäl inte beställa en för varje bil specialtillverkad kvartskristall. Om givaren som i nedanstående utföringsexempel är placerad vid kardanaxeln framför bakaxelväxeln är hastighetsmätaren direkt beroende av däckens rull- 10 15 20 25 30 35 ningsomkrets men de^sutom av utväxlingen i bakaxelväxeln. Biltill- verkaren måste ha frihet att välja olika däck och olika utväxling i bakaxelväxeln och fortfarande kunna använda samma hastighetsmätare.

Ovan nämndes att mätperioden i utföringsexemplet skulle vara en sekund. önskad mätperiod beräknas med hänsyn tagen till däckens rullningsomkrets, utväxlingen i bakaxelväxeln och antalet pulser per varv hos pulsgivaren på kardanaxeln. Speciellt om man har kravet att siffrorna på displayen skall visa hastigheten i riktig sort får man sannolikt aldrig en mätperiod som är precis en sekund.

Man låter kvartskristallen med stor noggrannhet ge ett grund- intervall av viss längd, t ex en sekund. Med elektroniska hjälpmedel drar man ifrån en liten lätt injusterbar del så att den mätperiod som man då får passar övriga data.

För att bättre visa hur metoden användes kan ges ett exempel ur verkligheten. Man har ett fordon på vilket däcken har en rull- ningsomkrets = 1,967 m. Utväxlingen i bakaxelväxeln är l:4,l. Vid en hjulhastighet av 1 varv/s är fordonets hastighet: 1,967 ' 3600/1000 = 7,081 km/h _ Man vill då att hastighetsmätaren skall räkna 70,81 pulser/s. Om man väljer ett impulstal från givaren av 18 per varv får man : 4,1 ' 18 = 73,80 pulser/s.

För att få ned antalet räknade pulser till 70,81 måste mätperioden minskas till mindre än en sekund i proportionen 70,81/73,80 = 0,959.

Den del som skall dras ifrån är 1 - 70,81/73,80 = 0,041 dvs 41 millisekunder.

Man bör försöka hålla denna lilla del så liten som möjligt, högst 10 ä 15 %, helst väsentligt mindre. Det är möjligt om man som i det nedan beskrivna utföringsexemplet använder en pulsgivare där man enkelt kan variera antalet pulser per varv mellan 1 och ca 40, Om man har en pulsgivare som ger 20 pulser per varv hos kardanaxeln behöver den lilla del, som man drar ifrån grundintervallet på en sekund, inte bli större än 1/20 = 5%. Skulle den vid första påse- ' endet visa sig bli större ändrar man bara antalet pulser från giva- ren. Genom att hålla nämnda intervall litet behöver man inte kräva samma procentuella noggrannhet hos detta som hos hela grundperioden och därigenom kan det alstras på enklare sätt. Följande exempel för- l0 l5 20 25 30 35 -f-f- s klarar metoden. Antag att kvartskristallen ger ett grundintervall på en sekund med en noggrannhet av Ü 0,002 %. Antag att den lilla tid som man vill minska 'grundintervallet med är hälften av ovannämnda maxi- mivärde dvs 2,5 %. Om man alstrar denna tid med en monostabil multi- vibrator av CMOS-typ (se beskrivningen nedan), kan man fä tiden med en noggrannhet av l'% eller bättre. Men den ger ett tillskott till _felet hos hela mätperioden av endast ca l% - 2,5% = f 0,025 %. Detta tillskott är fullt acceptabelt och ger en mycket noggrann hastighets- mätning., g I Nedan följer en detaljbeskrivning av själva hastighetsmätaren.

Den består av tre delar: I l. Impulsgivaren 2. Kretskort med elektronikutrustning 3. Indikatorenhet Pulsgivaren monteras vid utgående axeln från växellådan, innan- för eller utanför växellâdans hölje, eller vid kardanaxeln. Givare av olika slag är förut kända och tillverkas kommersiellt. Som exempel på i detta' fall användbara typer kan nämnas givare baserade på Halleffekt- principen och så kallade “proximity switches", se nedan. I båda fallen är själva givaren inbyggd i en metallisk cylinder.

Givare baserade på Halleffektprincipen måste kombineras med en permanentmagnet eller med flera permantmagneter. Ett utföringsexempel visas på figur l. Här är givaren, l, i ett cylindriskt hölje, 2, med ID - l5 mm diameter med hjälp av en bygel av omagnetiskt material sammanbyggd med magneten, 3, I luftgapet mellan givare och magnet roterar en skiva, 4, av magnetiskt material,fastsatt på kardanaxeln.

Skivan har längs periferien tänder eller hål, antalet är lika med det antal pulser som önskas för ett varv. Genom att byta skivan kan man få ett annat antal pulser per varv. Ett annat utförande visas på figur 2. I dtta fall har man en skiva, 3, med ett antal små mag- neter, 2, som är fastsatta längs periferien och som med ett visst luftgap passerar förbi ändan av den cylindriska givaren, l. För att inte figuren skall bli otydlig visas i denna bara en magnet, i verk- liheten-har man flera, antalet magneter är lika med önskat antal pulser per varv. Skivan är fastsatt på kardanaxeln och bytes om annat pulstal önskas. Den andra typen av givare som kallas "proximity l0 l5 20 25 35 switch" har en inbyggd-oscillator som påverkas eller slutar svänga när en metallbit som namnet anger närmas eller passerar förbi nära intill givaren. Anordningen visas på figur 3.'I detta fall har man en skiva, 3, med ett antal upphöjda metallstycken, 2, som passerar nära förbi givaren, l. För att figuren inte skall bli otydlig visas i denna bara ett metallstycke, i verkligheten har man lika många som det antal pulser per varv som önskas. Ovan beskrivna båda typer av givare finns att köpa med och utan sådan elektronik, som kan ge utimpulser av fyrkanttyp.

Elektronikutrustningen är utförd med integrerade kretsar, som är förut kända och som finns att köpa i allmänna marknaden. Man kan använda kretsar av olika typer t ex av TTL-typ eller av CMOS-typ.

I figur 4 visas ett principschema för en utrustning med CMOS-kretsar.

Däri ingår också den ovannämnda kvartskristallen. Den finns i nedre delen av schemat. Här användes en integrerad krets som tillsammans med kristallen bildar en oscillatorkrets. Med en frekvensdelare, FDl, delar man ned kristallfrekvensen så_att man_direkt får ut frekvensen l Hz, vilken användes för styrning av räknekretsarna.

Pulsen från pulsgivaren vid kardanaxeln kommer först till en krets betecknad TRl, en Schmitt-triggerkrets, som gör pulsen rektangulär om den.inte redan är det. Därefter kommer den rektangulära pulsen till en krets betecknad MMl. Det finns ytterligare fyra kretsar i schemat med beteckningen MM. Med detta avses en monostabil multi- vibrator. Det är ju en krets som när det komer in en puls ger ut en puls, vars längd alltid är konstant oberoende av om inpulsen är kort eller lång. Utpulsens längd är i stället bestämd av en yttre kondensator och ett yttre motstånd, båda anslutna till stift på kretsen. MMl gör om inkommande pulserna till räknarna Rl - R4 så att de alltid har samma längd, i detta utföringsexempel ca 30 mikrosekunder. Räknarnas funktion blir säkrare på detta sätt men det är i allmänhet inte nödvändigt att omforma räknarpulserna.

Räknarna är dekadiska och Rl räknar den lägsta dekaden, som i det- ta utföringsexempel inte visas på displayen, R2 räknar ental, R3 räknar tiotal och R4 räknar hundratal. Räknarna är i funktion så länge som det finns en etta pâ ledningen från MM2 till Rl. Om det blir en nolla spärras Rl och därmed också R2 - R4. MM2 drar ifrån den lilla biten från ensekundsperioden, som gör att man får en 10 15 20 25 30 mätperiod med den riktiga längden på sätt som ovan beskrivits. I sif- ferexemplet ovan var denna tid 4l millisekunder. När längden skall in- justeras kan man t^ex göra så att grovinställning göres genom att man kopplar in en eller flera kondensatorer av en viss storlek eller olika Stora kondensatorer, som alla parallellkopplas, och finjustering göres därefter med motståndet som kan vara i fonn av en trimpotentiometer med kontinuerlig motstândsändring. Ll, L2 och L3 är kodomvandlare med minne och “latch"-funktiont Det sistnämnda innebär att de häller kvar inmatad information så länge som det finns en etta på ledningen från MM3. Om det kommer en impuls i form av en nolla från MM3 byts den lagrade informationen ut mot den som just då finns i R2 - R4.

Dl, D2 och D3 är t ex LED-indikatorer som ständigt visar den i Ll, L2 och L3 lagrade infonnationen. Av figur 4 framgår att MM2 och MM3 tfår samtidig inpuls från kvartsoscillatorns l Hz puls. Slutet på pulsen från MM3 startar MM4 som bara ger ett tidsmellanrum och slu- tet på pulsen från MM4 startar MM5, som nollställer räknarna.

Pulserna från MMS, MM4 och MM5 är ca 20 mikrosekunder vardera.

Det tar alltså mindre än l00 mikrosekunder att byta information på displayen och nollställa räknarna Rl - R4. Om en bil med hastig- hetsmätare enligt uppfinningen kör 200 km/h får man 2000 pulser per sekund från pulsgivaren. Tidsmellanrummet mellan dessa pulser är då 500 mikrosekunder. Det är alltså minst fem gånger längre tid än den som behövs för informationsbyte och nollställning av räkna- re. Även om den lilla tid som MM2 drar bort från ensekundsperioden skulle vara mycket liten så kan alltså räknarna börja en ny mät- period redan efter mindre än l00 mikrosekunder efter det att den förra slutade. Uppdateringsfrekvensen för displayen är alltid en sekund men mätperioden för hastighetsmätaren är i allmänhet något kortare än en sekund.

Pâ figur 5 visas tidsdiagram över förloppen. De tvâ översta visar mätperioden i förhållande till l Hz perioden från kvarts- oscillatorn. De fyra nedersta visar i förstorad tidsskala pulser- na från MM2 - MM5, allt enligt ovanstående beskrivning.

Uppfinningen ger möjlighet till en egen provutrustning för kontroll av att hastighetsmätaren visar rätt. Man tar då inte ned kvartskristallens frekvens till l Hz i ett steg. Det finns integre- rade kretsar med binära räknare som kan användas för frekvensdel- 5 ning och som har uttag för ett flertal binära steg. Om kristall- frekvensen är 4,l94304 = 222 finns emellertid ingen binär frek- vensdelare som har uttag för alla potenser av 2 ned till l Hz. Där- för användes två seriekopplade frekvensdelare, FD2 och FD3. De kan vara likadana och fungerar båda på exakt samma sätt. Från den undre io av dessa tar man försiagsvis ut 27 = izs, 29 = 512 och 210 = 1024 Hz. Om man kopplar bort pulsgivaren från TRl och i stället med en omkopplare matar in dessa frekvenser en efter en på ingången till TRl skall hastighetsmätaren visa vissa på förhand bestämda hastig-g heter. De ligger för nämnda frekvenser omkring 12, 50 och 100 km/h. l5 Antalet kontrollpunkter kan givetvis väljas godtyckligt. På figur 6 visas samma schema som på figur 4 men kompletterat med denna provut- rustning.

Den ovan beskrivna utrustningen kan också användas för att t ex mäta hastigheten hos roterande axlar. Det är ju vad den egent- 20 ligen gör när den användes som hastighetsmätare för fordon.

Figurförteckning: Fig l Pulsgivare enligt Halleffektprincipen Fig 2 Alternativt utförande av pulsgivare enligt Halleffektprincipen Fig 3 Pulsgivare utförd som “proximity switch" 25 Fig 4 Principschema för elektronikutrustningen Fig 5 Tidsdiagram över räkneförloppet Fig 6 Principschema för elektronikutrustning med provutrustning Anförda publikationer: Svensk pat. ans. nr 73096l6-6 Utläggn. skr. 362 298 Utläggn. skr. 7311529-7(386 984)

Claims (4)

l0 l5 20 25 30 l0 Patentkrav.

1. l. Digital hastighetsmätare innefattande en pulsgivare, som avger en mot hastigheten proportionell pulsfrekvens, en till puls- givaren kopplad räknekrets (Rl-R4) för räkning av pulsgivarens pulser, en indikatorkrets (Ll-L3, Dl-D3) för digital visning av räknekretsens räkneinnehâll uttryckt i en förutbestämd hastighets- sort, t ex km/h, k ä n n e t e c k n a d av en kvartskristalloscil- lator för bildning av en referensfrekvens i storleksordningen ca j 0,5 - 2 Hz, en till kristalloscillatorns utgång ansluten monostabil vippa (MM2) anordnad att från referensfrekvensens period subtrahera ett tidsintervall som är kort relativt referensfrekvensens period i och för bildande av en signal med en period som benämnes mätperiod, vilken sistnämnda signal är kopplad till räknekretsen (Rl-R4) för att styra denna till att räkna det antal pulser pulsgivaren avger under en mätperiod. l

2. Z. Digital hastighetsmätare enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d av att pulstiden för den monostabila vippan (MM2) inställes vid vippans pulstidsbestämmande RC-element i relation till-specifika fordons-/varvtalsegenskaper.

3. Digital hastighetsmätare enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d av frekvensdelare (FD2+FD3) som är anslutna till kvartskris- talloscillatorn för bildande av en kontrollfrekvens, en omkopplare för valfri inkoppling av pulsgivarens pulser alternativt kontroll- frekvensen till räknekretsens (Rl-R4) ingång, varvid i det sistnämnda fallet kontrollfrekvensens pulser i kalibreringssyfte räknas under mätperioden.

4. Digital hastighetsmätare enligt krav 3, k ä n n e t e c k- n a d av att ett flertal kontrollfrekvenser uttages från frekvens- delaren i och för kalibrering av hastighetsmätaren inom olika om- råden av hastighetsregistret. D