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Vorrichtung zur Anzeige der Folgefrequenz und der Arbeitsperiodenzahl
eines periodisch bewegten Teils Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anzeige
der Folgefrequenz und der Arbeitsperiodenzahl eines periodisch bewegten Teils mit
einem als Impulsgeber dienenden, von dem Teil periodisch betätigten Kontakt zur
Erzeugung von der Bewegung des Teils frequenzproportionalen Impulsen, die einer
Integrationsschaltung zugeführt werden, und mit einem deren Ausgangsspannung anzeigenden
Meßinstrument.
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Für den Antrieb von Tachometern bei Fahrzeugen verwendet man fast
ausschließlich biegsame Wellen, die von einem Rad, vom Getriebe oder der Kardanwelle
durch die Karosserie zu dem Tachometerinstrument geführt sind. Wegen der vielen
Nachteile eines solchen mechanischen Antriebs hat man elektrisch arbeitende Anzeigeinstrumente
entwickelt, zu denen lediglich elektrische Leitungen geführt zu werden brauchen.
Bei einer bekannten derartigen Anordnung ist mit dem umlaufenden Teil, von dem die
Meßgröße abgenommen wird, ein Magnet verbunden, der bei seiner Rotation einen magnetisch
betätigten Schutzrohrkontakt periodisch schließt und öffnet.
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Ueber diesen Kontakt wird der Kondensator einer Integrationsschaltung
auf- und entladen. Der Auf-und Entladestrom wird dabei unter Zwischenschaltung eines
Brückengleichrichters über ein Meßinstrument geführt. Die Anzeige des Meßinstruments
entspricht dem Mittelwert des zeitlichen Integrals der Auf- und Entladeimpulse und
ist somit ein Maß für deren Häufigkeit und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges.
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Nachteilig ist bei dieser bekannten Anordnung jedoch, daß sich mit
der Impulsfolgefrequenz auch die Breite der Impulse ändert. Da die Impulse jedoch
unmittelbar integriert werden, ist die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom der
Integrationsschaltung nicht proportional der Schaltfrequenz des Schutzrohrkontaktes.
Sofern man für die Anzeige nicht ein teures Spezialinstrument verwendet oder eine
aufwendige Linearisierungsschaltung vorsieht, ist daher die Anzeige nicht proportional
der Meßgröße, was gerade bei Tachometern von Fahrzeugen im Interesse einer genauen
Ablesbarkeit höchst unerwünscht ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Meßanordnung,
die eine von der Meßgröße, d. h. von der Folgefrequenz, linear abhängige Anzeige
ergibt und die außerdem eine der absoluten Impulszahl, im Fall eines Fahrzeuginstruments
also der zurückgelegten Wegstrecke, proportionale Anzeige ermöglicht. Insbesondere
soll hierbei eine saubere Trennung beider Anzeigekreise erreicht
werden, so daß die
Justierungen und Eichungen der beiden Anzeigeinstrumente für den jeweiligen Anwendungsfall
völlig unabhängig voneinander vorgenommen werden können. Dabei soll der Schaltungsaufwand
in vernünftigen, wirtschaftlich vertretbaren Grenzen sein, wie es für die Verwendung
bei Kraftfahrzeuginstrumenten wichtig ist; jedoch soll sich die erfindungsgemäße
Anordnung ebensogut für andere Anwendungsfälle eignen, bei denen die Folgefrequenz
und die Arbeitsperiodenzahl periodisch bewegter Teile gemessen werden soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem
Impulsgeberkontakt und der Integrationsschaltung eine Ausgangsimpulse entgegengesetzter
Polarität liefernde Differenzierschaltung angeordnet ist, deren Ausgangsimpulse
einer Polarität der Integrierschaltung zur Anzeige der Folgefrequenz zugeführt werden,
während die Ausgangsimpuls e der entgegengesetzten Polarität einer Zählschaltung
mit einem Zählwerk zur Anzeige der Arbeitsperiodenzahl zugeführt werden. Die Differenzierschaltung
sorgt hierbei dafür, daß trotz der mit der Schaltfrequenz des Impulsgeberkontaktes
sich verändernden Breite der von diesem Kontakt gelieferten Impulse die dem Eingang
der Meßschaltung zugeführten Impulse stets gleich breit sind, so daß sich mit der
Schaltfrequenz die Eingangsimpulsfrequenz proportional, die Impulsbreite dagegen
nicht ändert. Außerdem liefert die Differenzierschaltung Impulse entgegengesetzter
Polarität, so daß sich in einfacher Weise die Impulse der einen Polarität als
Eingangsimpuls
e für die Folgefrequenzmeßs chaltung benutzen lassen, während die Impulse der anderen
Polarität als Eingangsimpulse für die Meßschaltung für die Arbeitsperiodenzahl dienen
können. Es ist somit eine saubere Trennung der Eingänge für die beiden Meßschaltungen
möglich, so daß sich in einfacher Weise eine unabhängige Eichung für die Anzeigen
der beiden jeweiligen Meßgrößen durchführen läßt. Außerdem verhindert diese Trennung
der Meßkreise eine gegenseitige Beeinflussung und ermöglicht daher einen einfacheren
und klareren als bisher bekannte Schaltungen, welche die gleichzeitige Messung dieser
beiden Größen erlauben.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Zählschaltung als
Frequenzumsetzer in an sich bekannter Weise einen Impulsgenerator und eine Kippschaltung
aufweisen, deren Ausgangsimpulse einem Steuerverstärker zugeführt werden, welcher
das elektromechanische Impulszählwerk antreibt. Zur Zählung von Impulsen ist eine
Schaltung bekannt, bei der über einen Transistor ein Kondensator stufenweise aufgeladen
wird und nach Erreichen einer bestimmten Ladespannung einen monostabilen Multivibrator
triggert. Bei der erfindungsgemäßen Schaltung kann der Impulsintegrator ebenfalls
mit einem Transistor bestückt sein, jedoch wird die Kippschaltung vorzugsweise nicht
als Multivibrator, der zwei Transistoren benötigt, ausgebildet, sondern mit nur
einem durch den Impulsintegrator angesteuerten Unijunctiontransistor bestückt. Dadurch
verringert sich die Zahl der Bauelemente gegenüber der bekannten Schaltung.
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Im Interesse eines störungsfreien Betriebes auch unter ungünstigen
Bedingungen kann der Impulsgeberkontakt, wie es auch bei dem vorerwähnten elektronischen
Tachometer der Fall ist, als magnetisch betätigter Schutzrohrkontakt ausgebildet
sein.
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Das empfiehlt sich insbesondere bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung als Tachometer- und Kilometerzähler für Kraftfahrzeuge, wobei die Ausgangsspannung
der Integrationsschaltung ein Maß für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs und das
Meßinstrument in Geschwindigkeits einheiten, also Stundenkilometer, geeicht ist
und wobei der Abstand der Ausgangsimpulse der Kippschaltung proportional der zurückgelegten
Strecke und das Zählwerk in Längeneinheiten, also Kilometer, geeicht ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels für den Fall eines Geschwindigkeits- und Kilometeranzeigegerätes
für Kraftfahrzeuge beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des
auf der Bremstrommel eines Kraftfahrzeugs montierten Schutzrohrkontaktes und Fig.
2 die elektrische Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ein Tachometer und ein Kilometerzähler für ein Fahrzeug wird durch
einen magnetisch betriebenen Schutzrohrkontakt betätigt, der mit einem bewegten
Teil des Fahrzeugs, beispielsweise einem Vorderrad, gekoppelt ist. Wenn das Rad
rotiert, öffnet und schließt der Schalter intermittierend und erzeugt elektrische
Impulse, die jeweils einen von dem Fahrzeug zurückgelegten Streckenabschnitt darstellen.
Die Impulse werden an eine Differentiationsschaltung gegeben, die bei Vorliegen
der Impulse positive und negative Ausgangssignale erzeugt. Das positive Si-
gnal
wird an eine Integrationsschaltung angelegt, die die Signale zeitintegriert, um
die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs zu bestimmen. Ein Milliamperemeter
wird in Verbindung mit der Integrationsschaftung verwendet, um das integrierte elektrische
Signal in eine mechanische Bewegung für eine optische Anzeige der Fahrzeuggeschwindigkeit
in Form von Stundenkilometer umzuwandeln.
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Das negative Signal der Differentiationsschaltung wird an einen Kippgenerator
gelegt, der einen Treppenspannungsgenerator und einen Unijunctiontransistor aufweist.
Der Kondensator des Treppenspannungsgenerators wird auf Grund der elektrischen Impulse
schrittweise aufgeladen, bis der Unijunctiontransistor zündet und den Kondensator
entlädt. Das von dem Unijunctiontransistor abgegebene Steuersignal wird an einen
Steuerverstärker angelegt, der einen Elektromagneten erregt. Der Magnet betätigt
seinerseits einen mechanischen Zähler. Wird der Kippgenerator so geeicht, daß er
alle i/loo km zündet, so setzt der Zähler die Impulse des magnetisch betätigten
Schutzrohrkontaktes derart um, daß die von dem Fahrzeug zurückgelegte Entfernung
in Kilometer gezählt und angezeigt wird.
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Entsprechend F i g. 1 ist der Schutzrohrkontakt 10 mittels eines
U-förmigen Bügels 12 an dem feststehenden Teil 13 der Bremstrommel 14 angebracht,
die dem Vorderrad eines nicht veranschaulichten Kraftfahrzeugs zugeordnet ist. Ein
Magnet 15 sitzt ebenfalls an dem U-förmigen Bügel 12 und ist dem Schutzrohrkontakt
10 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet.
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Blendenflügel 18 sind an dem Ring 11 montiert, der an dem rotierenden
Teil 19 der Trommel 14 befestigt ist, und laufen mit diesem um. Der Bügel 12 besteht
aus magnetischem Werkstoff, so daß ein durch den Schutzrohrkontakt 10 hindurchreichendes
Feld gebildet wird. Die Blendenfiügel 18 bestehen ebenfalls aus magnetischem Werkstoff.
Wenn das Teil 19 bei Drehung des Rades umläuft, laufen die Blendenflügel 18 zwischen
dem Magnet 15 und dem KontaktlO hindurch, wobei sie intermittierend das magnetische
Feld schneiden und den Kontakt öffnen.
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Das periodische Öffnen und Schließen des Kontaktes 10 wird ausgenutzt,
um elektrische Impulse zu erzeugen, die unmittelbar die Bewegung des Fahrzeugs erkennen
lassen.
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Schaltung und Wirkungsweise des elektrischen Tachometers und Kilometerzählers
seien in Verbindung mit F i g. 2 erläutert. Der Schutzrohrkontakt 10 ist über den
Zündschalter 22 mit der Batterie oder Stromquelle 20 verbunden. Der Batterie 20
sind ein Siebkondensator27 und eine Diode23 zugeordnet.
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Letztere schützt die Anlage gegen Spannung falscher Polarität, wenn
die Stromquelle an die Anlage angeschlossen wird. Die Stromquelle kann beispielsweise
die normale 12-V-Stromquelle des Kraftfahrzeugs sein. Die Anlage wird durch Schließen
des Zündschalters 22 erregt, so daß ein Schließen des Schutzrohrkontaktes 10 einen
positiven Impuls von der Stromquelle 20 über den Widerstand 25 zum Eingang einer
Differentiationsschaltung 26 gehen läßt, die aus einem Kondensator 28 besteht, der
in Reihe mit zwei veränderlichen Parallelwiderständen 29 und 30 liegt. Da der Kondensator
28 plötzlichen Potentialänderungen entgegenwirkt, wird er über den Schalter 10 von
Masse her aufgeladen, so daß am Ausgang der Differentiationsschaltung, d. h. an
den
Widerständen 29 und 30, ein negativer Impuls auftritt. Umgekehrt
wirkt der Kondensator 28 beim Öffnen des Kontaktes 10 in der beschriebenen Weise
der plötzlichen Potentialänderung entgegen und wird entladen, so daß am Ausgang
der Differentiationsschaltung ein positiver Impuls erscheint.
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Beim Anlegen dieses positiven Impulses an die Basis 32 des pnp-Transistors
35 wird der Transistor 35 zunehmend in Sperrichtung vorgespannt. Wenn der positive
Impuls jedoch an dem Stellwiderstand 29 erscheint, der in Verbindung mit der Trenndiode
37 und dem Kondensator 38 eine Integrationsschaltung bildet, wird der Impuls zeitintegriert.
Durch das am Kondensator 38 entstehende Potential wird der Zeiger 42 des Meßgeräts
40 in bekannter Weise bewegt, wobei das elektrische Potential des Kondensators in
mechanische Bewegung umgesetzt wird.
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Das Meßgerät 40 kann beispielsweise ein Milliamperemeter sein. Der
Widerstand 29 kann verstellt werden, um die Amplitude des positiven Ausgangssignals
zu justieren und damit die Integrationsschaltung derart zu eichen, daß bei Ausbildung
der Sichtfläche des Meßgeräts 40 als Tachometerskala die bei einer bestimmten Impulsfolgefrequenz,
d. h. Drehzahl des Rades am Kondensator stehende Ladung den Zeiger 42 des Meßgeräts
40 so auslenkt, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit genau in Stundenkilometern angezeigt
wird.
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Der negative Impuls, der beim Schließen des Kontaktes 10 auftritt,
wird mittels der Diode 37 an einer Aufladung des Kondensators 38 gehindert. Der
negative Impuls erscheint jedoch am Widerstand 30 und gelangt über diesen Widerstand
an die Basis 32 des pnp-Transistors 35, wodurch der Transistor geöffnet wird. Wenn
der Transistor 35 leitet, fließt Strom durch den Widerstand 44, den Emittervorspannungswiderstand
46, den Emitter 47, den Kollektor 48 und die Trenndiode 49, wobei der Kondensator
50 aufgeladen wird. Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß der Transistor
35 und der Kondensator 50 einen Treppenspannungsgenerator bilden, wobei die am Kondensator
stehende Ladung bei jedem negativen Signal anwächst. Dieser Treppenspannungsgenerator
bildet in Verbindung mit dem Unijunctiontransistor 52 einen Kippgenerator.
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Der Unijunctiontransistor 52 weist einen Emitter 53, eine Basis 1
54 und eine Basis II 55 auf. Der Widerstand 44 und eine Zenerdiode 58 liegen parallel
zu der Stromquelle und speisen den Transistor 52 mit einer geregelten Spannung.
Die Spannung am Kondensator 50 steigt in der beschriebenen Weise an, bis sie einen
vorbestimmten Wert erreicht. Sodann leitet der Unijunctiontransistor 52, wodurch
der Kondensator 50 über den in Reihe mit der Basis 154 des Transistors 52 liegenden
Widerstand 60 entladen wird. Der in Reihe mit der Basis II 55 des Transistors 52
liegende Widerstand 62 bestimmt die Zündspannung des Transistors.
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Der Unijunctiontransistor 52 ist mit dem Eingangsstromkreis 64 des
zweistufigen Transistorregelverstärkers über einen Kondensator 65 verbunden. Der
Stromkreis 64 ist an den Emitter 66 des pnp-Transistors 68 angeschlossen. Der Transistor
68 bildet die erste Stufe des Regelverstärkers, während der npn-Transistor 70 die
zweite Stufe bildet. über die Diode 72 und den Widerstand 73 sind der Emitter 66
bzw. die Basis 74 mit der Stromquelle verbunden, um den Transistor 68 in passender
Weise vorzuspannen. Der
Kollektor 75 des Transistors 68 ist über einen Widerstand
79 an die Basis 77 des Transistors 70 angeschlossen. Der Kollektor 80 des Transistors
70 ist über die Magnetwicklung 82 mit der Gleichstromquelle verbunden, während der
Emitter 84 des Transistors 70 an Masse liegt. Der Kondensator 87 bildet zusammen
mit dem Widerstand 88 ein Siebglied, um Einschwingvorgänge zu dämpfen, die auf Potentialänderungen
innerhalb der Schaltung zurückzuführen sind.
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Wenn der Unijunctiontransistor 52 leitet, steigt das Potential am
Emitter 66 des Transistors 68 an, wodurch der Transistor 68 in Durchlaßrichtung
vorgespannt wird und leitet. Infolgedessen fließt Strom durch den Widerstand 79
steigt das Potential an der Basis 77 und wird der Transistor 70 in Durchlaßrichtung
vorgespannt, bis er leitet. Dies führt zu einem Stromfluß über den Kollektor 80,
wodurch der mit dem Ausgangskreis 90 des Verstärkers gekoppelte Magnet 82 unter
Strom kommt. Ein Mitkopplungskreis, bestehend aus dem Kondensator 92 und dem Widerstand
94, die zwischen dem Kollektor 80 des Transistors 70 und der Basis 74 des Transistors
68 liegen, hält das Potential an der Basis 74 auf einem niedrigeren Wert als das
Potential am Emitter66, um sicherzustellen, daß der Verstärker für eine zur Erregung
des Magneten 82 ausreichende Zeitspanne leitet. Eine parallel zu dem Magneten 82
liegende Diode 93 unterdrückt einen Einschaltstrom des Transistors 70.
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Wie zuvor erwähnt, wird beim Leiten des Regelverstärkers der Magnet
82 erregt. Da der Anker 90 des Magneten 82 unmittelbar mit dem Betätigungs, arm
91 des Zählers 95 verbunden ist, wird bei Erregung des Magneten 82 der Zähler 95
betätigt, der ein beliebiger bekannter Zähler sein kann, der zur Zählung von Schwingbewegungen
geeignet ist.
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Der Zähler erfaßt die von dem Fahrzeug zurückgelegten Streckenabschnitte
auf folgende Weise.
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Durch zweckentsprechende Einstellung des Stellwiderstands 30 und geeignete
Wahl des Wertes des Widerstands 46 kann eine Ladung an dem Kondensator des Treppenspannungsgenerators
aufgebaut werden, die den Unijunctiontransistor 52 bei jedem l/; oo km zündet. Dies
bedeutet, daß der Unijunctiontransistor 52 mit einer Frequenz zündet, die ein Bruchteil
der Impulsfolgefrequenz des Schutzrohrkontaktes 10 ist. Bei jedem Zünden des Transistors
52 wird der Regelverstärker leitend gemacht, wodurch der Magnet 82 wie beschrieben
erregt wird.
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Jeder durch den Magnet laufende Impuls bewegt das erste Zählrad der
Zählräder96 (l/t00-km-Rad) um eine Ziffer weiter. Zehn Impulse oder eine Umdrehung
des ersten Zählrads entsprechend lS10 km drehen das zweite Zählrad 96 (das t/l0-km-Rad)
um eine Ziffer weiter. Dieser Vorgang setzt sich bis zu dem Endwert des benutzten
Zählers fort.