DE1963000B2

DE1963000B2 - Vorrichtung zum Messen von Größen der relativen Bewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung

Info

Publication number: DE1963000B2
Application number: DE1963000A
Authority: DE
Inventors: Ingvar Taeby Andermo (Schweden)
Original assignee: INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK STOCKHOLM
Current assignee: INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK STOCKHOLM
Priority date: 1968-12-10
Filing date: 1969-12-08
Publication date: 1978-11-16
Also published as: DE1963000A1; FR2025826A1; DE1963000C3; GB1250089A; SU515472A3; US3689157A; JPS5034952B1; SE334254B; CH503998A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Größen der Relativbewegung (Geschwindigkeit und zurückgelegter Weg) zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Hierbei wird die der Umgebung eigentümliche Oberflächenstruktur mit Hilfe von zwei Vorrichtungen abgetastet die ihrerseits in Bewegungsrichtung einen definierten bekannten Abstand voneinander haben. Auf diese Art wird jedes einzelne Muster der Oberflächenstruktur zweimal abgetastet, und zwar mit einem Zeitunterschied, der dem Abstand der beiden Abtastvorrichtungen direkt und der Relativgeschwindigkeit zwischen Gegenstand und Umgebung umgekehrt proportional ist Wird der Ausgang der zuerst abtastenden Vorrichtung mit einer einstellbaren Verzögerungsschaltung versehen und wird deren Verzögerungszeit so eingeregelt daß sich deren Ausgang mit dem Ausgang der später abtastenden Vorrichtung deckt, so ist die eingestellte Verzögerungszeit unmittelbar ein Maß für die Relativgeschwindigkeit Eine derartige Korrelations-Meßeinrichtung ist z. B. in der GB-PSIl 18 504 offenbart

Zur einwandfreien Funktion einer solchen Meßeinrichtung darf sich die abgetastete Oberflächenstruktur

während der Laufzeit von einer zur anderen Abtastvorrichtung nicht verändern. Handelt es sich also um die Oberfläche eines fluiden Mediums, so muß entweder die Relativgeschwindigkeit so groß oder der Abstand der Abtastvorrichtung so klein sein, daß während der Laufzeit keine Oberflächenveränderungen stattfinden. KJeine Relativgeschwindigkeiten führen indessen auch bei unveränderlichen Oberflächenstrukturen zu grundsätzlichen Schwierigkeiten, und zwar nicht nur, weil die Laufzeiten dann sehr groß werden, sondern weil vor allem die abgetasteten Signals sich nur sehr langsam ändern. Wie bereits erwähnt, muß die Koinzidenz zwischen abgetastetem und verzögert abgetastetem Signal festgestellt werden, und die hierzu erforderliche Vergleichsschaltung soll schnell ansprechen, um schnellen Änderungen der Relativgeschwindigkeit möglichst unverzögert folgen zu können. Ändern sich nun die abgetasteten Signale sehr langsam, so spricht die Vergleichsschaltung nicht mehr darauf an, ob sich die Signale in ihrer Form, beispielsweise "Js Dreieck decken, sondern bereits darauf, ob sich einzelne Augenblickswerte der langsam veränderlichen Signale decken. Bei den in Rede stehenden Meßeinrichtungen gibt es also eine untere Grenze der Relativgeschwindigkeit, unter der die Meßeinrichtung versagt und ihre Anzeige mit großen Fehlern behaftet ist Dieser Nachteil macht sich beispielsweise besonders bei Schienenfahrzeugen bemerkbar, deren Geschwindigkeit durch Abtasten der Oberflächenstruktur einer Schiene gemessen werden soll und bei denen dann die Geschwindigkeitsmessung beim Anfahren aus dem Stand versagt

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Meßbereich der in Rede stehenden Meßeinrichtungen unter Beibehaltung ihrer Ansprechgeschwindigkeit in Richtung sehr kleiner Relativgeschwindigkeiten zu erweitern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs 1 gelöst Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens an.

Die Erfindung trägt dabei dem Umstand Rechnung, daß bei kleinen Relativgeschwindigkeiten die Unsicherheit beim Messen von Relativbewegungen nach dem Korreiationsprinzip systembedingt ist, und geht von der Überlegung aus, in diesem Bereich das Korreiationsprinzip mit einem anderen Meßverfahren zu kombinieren. Dadurch können Schaltungselemente für beide Meßverfahren femeinsam benutzt werden und die Werte beider Meßverfahren können stetig und lückenlos ineinander übergehen. Die große Meßgenauigkeit des Korrelationsverfahrens bei größeren Relativgeschwindigkeiten wird dabei durch das andere Meßverfahren für kleine Relativgeschwindigkeiten nicht gestört

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert In der Zeichnung ist die

F i g. 1 eine Übersicht über die gesamte Vorrichtung,

Fig.2 eine andere Ausführung eines Teiles der Vorrichtung nach der F i g. 1,

Fig.3 ein Spannungs-Geschwindigkeits-Diagramm für die Schaltung nach der F i g. 2 und die

Fig.4 eine weitere Ausführung eines Teiles der Vorrichtung nach der F i g. 1.

Die Vorrichtung nach der F i g. 1 soll zum Messen der Geschwindigkeit von Eisenbahnzügen dienen, wird an der Zugmaschine angebracht und mißt die Geschwindigkeit ν in bezug auf die Schienen 10, die beispielsweise das Licht aus einer Lichtquelle reflektieren, die am Zug nahe an einer Schiene angebracht ist Die an der Zugmaschine angebrachte Einrichtung weist zwei Abtastvorrichtungen 11 und 12 auf, eine Vergleichsschaltung 14, eine Verzögerungsschaltung r, eine Steuerschaltung F5—A/F, eine Einrichtung 16 zum Anzeigen der Geschwindigkeit ν des Zuges sowie eine Einrichtung, die den vom Zug zurückgelegten Weg S= Jv dt anzeigt

ig Die Abtastvorrichtungen U und 12 sind in der Längsrichtung des Eisenbahnzuges in einer bestimmten Entfernung / voneinander angeordnet und erzeugen ohne einen mechanischen Kontakt mit den Schienen zwei gleiche Signale, die entsprechend dem Abstand / und der Geschwindigkeit ν zeitlich gegeneinander versetzt sind und Rauschsignalen gleichen. Die von der Schiene her erhaltenen Signale f(t) und f(t—\lv) sind daher eine Funktion der Entfernung (Abmessung der Schiene) und damit eine Funktion der Zeit wenn der Zug sich in bezug auf die Schienen bewegt In der Vergleichsschaltung 14 werden die beiden Signale miteinander verglichen. Der eine Eingang der Vergleichsschaltung steht über die Verzögerungsschaltung τ mit der Abtastvorrichtung 11 in Verbindung, während der andere Eingang mit der Abtastvorrichtung 12 in Verbindung steht Der Ausgang der Vergleichsschaltung ist mit der Steuerschaltung F5 —/4/Fverbunden.

Die Steuerschaltung F5—A/F weist eine Integralionsschaltung Rs—Q— Fs mit einem mit dem Ausgang

JO der Vergleichsschaltung 14 verbundenen Widerstand R 5 und mit einem Kondensator C₅ auf, der zwischen den Ausgang einer Subtraktionsschaltung F5 und dessen (negativen) Eingang geschaltet ist an den auch der Widerstand Rs angeschlossen ist Bei richtiger Messung der Zuggeschwindigkeit V ist die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung proportional der Geschwindigkeit v. Die Steuerschaltung weist ferner einen Analog-Frequenz-Konverter A/F, auf der an den Ausgang der Integrationsschaltung angeschlossen ist und die Ausgangsspannung Ui in ein Frequenzsignal fp umwandelt dessen Frequenz daher ein Maß für die Zuggeschwindigkeit ν ist

Die Verzögerungsschaltung τ weist einen Steuereingang 15 auf, dem das Frequenzsignal fp als Steuersignal zugeführt wird und die Verzögerung τ so verändert, daß die Signale an den Eingängen der Vergleichsschaltung 14 im wesentlichen einander gleich sind.

Die Anzeigeeinrichtung 16 ist an den Verbindungspunkt zwischen der Integrationsschaltung Rs—Cs- Fs und dem Analog-Frequenz-Konverter A/F angeschlossen, an dessen Ausgang die Anzeigeeinrichtung 17 angeschlossen ist

Die Einrichtung nach der Fig. 1 weist ferner eine Korrekturschaltung Fe- Dfe—Rf, auf mit einem Subtrak-

5^r> tionskreis Fe, mit einer Diode Lh und mit einem Widerstand Re- Der eine Eingang (+) des Subtraktionskreises F6 steht mit dem Ausgang des Subtraktionskreises FS in Verbindung, während der andere Eingang (—) mit einer unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrich-

bo tung

i2-C_h-R_h-h, —C,

in Verbindung steht. Der Ausgang von F6 ist mit dem negativen Eingang des Subtraktionskreises FS über die fe") Diode De, und den Widerstand Λβ verbunden. Dem Subtraktionskreis F6 wird zum Teil die bereits genannte Spannung U\ und zum Teil eine Spannung U_y aus der unabhängigen Geschwindißkeitsmeßeinrichtune

zugeführt Die Polarität der Eingänge der Schaltung F6 und die Durchlaßrichtung der Diode ßfe werden so gewählt, daß bei einem Absinken der Spannung {//unter die Spannung U, der Ausgang der Schaltung F6 eine Polarität erhält, bei der die Diode D 6 geöffnet wird und die Integrationsschaltung über den Widerstand Rt einen Eingangsstrom mit einer Polarität erhält, bei der die Spannung Ui ansteigt. Dies bedeutet, daß die Spannung Ui nicht unter die Spannung U_y absinken kann. Diese Spannung wird aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung erhalten, deren Ausgangsspannung proportional der Geschwindigkeit mindestens innerhalb des begrenzten Geschwindigkeitsbereiches ist, in dem das ordnungsgemäße Funktionieren der gesamten Einrichtung unsicher ist Der Proportionalitätsfaktor Spannung/Geschwindigkeit für die Spannung U_y ist etwas kleiner als der entsprechende Faktor für die Spannung Ui, wobei erreicht wird, daß bei einem korrekten Wert der Spannung Ui in bezug auf die tatsächliche Geschwindigkeit die Korrekturschaltung die Messung nicht beeinflußt

Die unabhängige Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach der F i g. 1 besteht aus der Abtastvorrichtung 12, einem Hochpaßfilter (Ch-Rh, einem einfachen RC-Glied), einem Vollweggleichrichter Λ/ und aus einem Tiefpaßfilter R\ — C\. Das Signal aus der Abtastvorrichtung 12 hat seinen Ursprung in der reflektierenden Fläche der Schiene. Da die Struktur der reflektierenden Fläche längs der Schiene gänzlich zufällig verteilt ist, so enthält das Signal ein Frequenzspektrum, dessen Grenze von den Merkmaien der Optik der Abtastvorrichtung und von der Geschwindigkeit bestimmt wird. Die Abhängigkeit vcn der Geschwindigkeit bedeutet, daß der Verlauf der Frequenz nach oben proportional der Geschwindigkeit ist Das Hochpaßfilter Ch-Rh weist eine Übertragungsfunktion auf, die die Ausgangsamplitude bei konstanter Amplitude des Eingangssignals proportional der Frequenz macht bis zu einer Frequenzgrenze fg, oberhalb der diese ungefähr konstant bleibt Dies bedeutet, daß die mittlere Amplitude an der Ausgangsseite des Hochpaßfilters Ch-Rh ungefähr proportional der Geschwindigkeit ist solange die Geschwindigkeit so gering ist, daß keine Frequenzkomponente des Signals die Frequenzgrenze fg überschreitet Bei einer höheren Geschwindigkeit nähert sich die mittlere Amplitude einem konstanten Wert Der Vollweggleichrichter A/und das Tiefpaßfilter Ri-Ci erzeugen die Spannung Uy, so daß diese proportional der mittleren Amplitude des Ausgangssignals des Hochpaßfilters Ch-Rh wird, wobei die Spannung U_y proportional der Geschwindigkeit ν mindestens bei verhältnismäßig niedrigen Geschwindigkeiten wird.

Eine Umkehrung der Durchlaßrichtung der Diode D6 in der Fig. 1 bewirkt, daß die Spannung Ui nach oben hin von der Spannung U_y am negativen Eingang des Subtraktionskreises F6 begrenzt wird. Die Schaltung arbeitet im übrigen in derselben Weise, wie bereits beschrieben.

Die Fig.2 zeigt eine Schaltung FT—Eh—Ri zum Begrenzen der Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung nach oben zusammen mit einer Schaltung FS— D₆- R₆ zum Begrenzen der Spannung Ui nach unten. Eine dem Subtraktionskreis Fl der Schaltung FT-D₇-R₁ zugeführte Spannung U_y2 soll immer höher sein als die entsprechende Grenzspannung U_y\, die dem Subtraktionskreis F6 zugeführt wird. Werden beide Spannungen aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung abgeleitet, so wird

Uy₂ = Ic₂ ■ UyUnd UyI= kl · Uy,

wobei k₂ größer als 1 und ki kleiner als 1 ist U_y ist die Ausgangsspannung aus der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung die bei einer geringen Geschwindigkeit ungefähr den gleichen Proportionalitätsfaktor in bezug auf die Geschwindigkeit ν aufweisen soll wie die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung. Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht wird die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung von den Spannungen U_y2 und U_y\ eingeschlossen und begrenzt Dies bedeutet jedoch, daß bei Geschwindigkeiten, deren Frequenzkomponenten die Grenzfrequenz des Hochpaßfilters f_g überschreiten, die Spannung Ui von der oberen Grenzspannung U_y2 unter den korrekten Wert »heruntergedrückt« wird. Bei der Schaltung nach der F i g. 2 wird dies verhindert durch einen Spannungsbegrenzungskreis Ri-Zi mit einem Widerstand R_t und mit einer Zener-Diode, die geerdet ist in der Verbindung zwischen dem Ausgang der Integrationsschaltung und dem positiven Eingang der Subtraktionsschaltung FT. Der Schaltungskreis Ri-Zi verhindert ein Ansteigen der Spannung U\ über die Nennspannung der Zener-Diode hinaus, so daß die Integrationsschaltung von der Korrekturschaltung FT-Dj-R₇ unbeeinflußt bleibt selbst wenn deren zweite Spannung U_y2 bei höheren Geschwindigkeiten sich einem konstanten Wert annähert

Die F i g. 3 zeigt in welcher Weise die Ausgangsspannung Ui der Integrationsschaltung bei geringen Geschwindigkeiten von den Spannungen U_y2 und U_y\ eingeschlossen und begrenzt wird, wobei die Geschwindigkeit gemessen werden kann, bis der Zug sich nicht mehr bewegt Bei höheren Geschwindigkeiten erhöht sich die Differenz zwischen der korrekten Spannung Ui und der oberen bzw. der unteren Grenzspannung U_y2 oder Uy\, und die Messung erfolgt nunmehr ohne Beeinflussung durch die Korrekturschaltung.

Die Fig.4 zeigt eine weitere Möglichkeit die Steuerfrequenz f_p um einen Wert herum zu begrenzen, der von der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung bestimmt wird. In diesem FaUe ist die Spannung U_y aus der genannten Einrichtung proportional der Geschwindigkeit innerhalb des gesamten Meßbereiches und wird dem Verbindungspunkt zwischen der Integrationsschaltung F5—Cs-Rs und dem Analog-Frequenz-Konverter A/Fderart zugeführt daß die Spannung zur Integrationsspannung Ui hinzuaddiert wird. Dies erfolgt mittels einer Additionsschaltung Rs— R₉, deren Widerstand R₈ zwischen die Subtraktionsschaltung F5 und den Analog-Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist und deren Widerstand Rg zwischen die genannte Einrichtung und den Analog-Frequenz-Konverter A/F geschaltet ist Durch Begrenzen der Ausgangsspannung U, der Integrationsschaltung auf einen gewissen Anteil von Uy, z.B. auf

Ui= +0,1 · t/j-oder t//= -0,1 · U_y

bo wird erreicht daß das Steuersignal grob bestimmt wird von der Geschwindigkeitsmeßeinrichtng und fein bestimmt wird von der Ausgangsspannung Ui der

Integrationsschaltung. Als Abwandlungen können die lichtelektrischen

t>5 Abtastvorrichtungen ersetzt werden durch magnetische Abtastvorrichtungen mit einer konstanten Auflösung in der Bewegungsrichtung. Auch in diesem Fall ist das erhaltene Spektrum proportional der Geschwindigkeit

Die unabhängige Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung kann auch aus einer gänzlich unabhängigen Meßeinrichtung bestehen, z. B. aus einer mit den Rädern des Eisenbahnzuges in Verbindung stehenden Einrichtung, die eine der Geschwindigkeit entsprechende kritische Spannung erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen von Größen der Relativbewegung zwischen einem Gegenstand und dessen Umgebung mit einer entweder am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten Signalquelle und mit zwei am Gegenstand oder an dessen Umgebung angeordneten Abtastvorrichtungen, die in der Bewegungsrichtung einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen und ohne mechanischen Kontakt mit der Signalquelle zwei gleiche Signale erzeugen, die in Abhängigkeit vom Abstand zwischen den beiden Abtastvorrichtungen und von der relativen Geschwindigkeit (v) zeitlich versetzt sind, welche Signale f(t) und f(t~ Mv) Rauschspannungen gleichen, und in einer Vergleichsschaltung miteinander verglichen werden, von der ein Eingang mit einer der Abtastvorrichtungen und der andere Eingang über eine Verzögerungsschaltung mit der anderen Abtastvorrichtung in Verbindung steht, während ein Ausgang mit einer Steuerschaltung verbunden ist, die ein Steuersignal erzeugt, das eines der Schaltungselemente so steuert, daß die Signale am Eingang der Vergleichsschaltung im wesentlichen einander gleich werden, gekennzeichnet durch eine Korrekturschaltung (FB—Ds—Rt in Fig. 1, 2; Fl-D₁-R, in Fig.2 und Rg-R₉ in F i g. 4), deren Eingangsseite mit einer unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

in Verbindung steht, und deren Ausgangsseite mit der Steuerschaltung (F5—A/F)\n Verbindung steht, welche Korrekturschaltung die Steuerschaltung (FS—A/F) so beeinflußt, daß die Steuersignale bei sehr geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand nur sehr begrenzt veränderbar sind um den Wert herum, der der von der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

(12-Ca-Ra-Ai-A₁-C₁)

ermittelten Geschwindigkeit entspricht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängige Geschwindigkeitsmeßeinrichtung eine Abtastvorrichtung (12) aufweist, die mit einer Frequenzanalysierungsschaltung

(Ca-Aa-A₁-Λ,-C₁)

in Reihe geschaltet ist und eine Ausgangsspannung erzeugt, die mindestens bei unterhalb einer bestimmten Grenzfrequenz liegenden Frequenzen proportional der Frequenz des Signals aus der Abtastvorrichtung (12) ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung (FS—AJF) eine Integrationsschaltung (Rs- C5—F5) aufweist, deren Ausgangsspannung bei korrekter Messung der Geschwindigkeit der genannten Geschwindigkeit proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturschal- bo tung einen Subtraktionskreis (F6 in F i g. 1 und 2) aufweist, dessen einer Eingang (+) mit dem Ausgang der Integrationsschaltung (Rs—C₅- FS) verbunden ist, und dessen anderer Eingang ( —) mit der unabhängigen Geschwindigkeitsmeßeinrichtung verbunden ist, während der Ausgang über eine Rückführung (Ek-R₆) mit einem Gleichrichter (D₆) mit der Eingangsseite der Integrationsschaltung

(Rs—Cs-F5) in Verbindung steht

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (Rs— Cs- FS) nach unten begrenzt wird von der Ausgangsspannung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

(12-Ca-Aa-A₁-A₁-C₁),

dadurch gekennzeichnet, daß das von der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung erzeugte Signal bei verhältnismäßig geringen Geschwindigkeiten proportional der Geschwindigkeit ist, sich jedoch einem konstanten Wert annähert bei Geschwindigkeiten, die eine Grenzgeschwindigkeit übersteigen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (Rs— Cs- FS) nach oben begrenzt wird von der Ausgangsspannung der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung

(12-Ca-Aa-A₁-A₁-C₁),

dadurch gekennzeichnet daß die Ausgangsseite der Integrationsschaltung über eine Spannungsbegrenzungsschaltung (A₁-Z₁) mit der Subtraktionsschaltur.g (Fl in F i g. 2) in Verbindung steht

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung aus einer Integrationsschaltung (Rs—Cs-FS) und einem mit dieser in Reihe geschalteten Analog-Frequenz-Konverter (A/F) besteht dadurch gekennzeichnet daß die Korrekturschaltung als Additionsschaltung (Rg-R9) an der Eingangsseite des Analog-Frequenz-Konverters (A/F) vorgesehen ist und die Ausgangsspannung der Integrationsschaltung (Rs— Cs-FS) mit einer der Geschwindigkeit ungefähr proportionalen Spannung aus der Geschwindigkeitsermittlungseinrichtung

addiert