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Anordnung zur Drehzahlmessung ein Üelle Die Erfindung betrifft eine
Anordnung zur Drehzahlmesswlg einer Welle mit berührungslosen, elektronischen Gebern,
in deren aktiven Bereich periodisch mit der Welle umlaufende Störelenlerlte zur
Auslösung eines Impulses ein- und wieder austreten, wobei die erzeugten Impulse
registriert werden.
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Drehzahlmessungen der genannten Art sind bekannt; ihre Wirkung beruht
darauf, dass jeder Ein- und Austritt eines mit der Welle umlaufenden Störelements
- z.B. eines Zahns, eines Zahnkranzes oder eines Stegs zwischen Löchern einer Lochscheibe
- in dem Geber, beispielsweise in dem durch die Spule eines Schwingkreises erzeugten
Magnetfeld oder auf der lichtempfindlichen Schicht eines von einem Lichtstrahl getroffenen
Fotoelements, Veränderungen hervorruft. Jedes Eintreten eines Elements in den aktiven
Bereich" des Gebers erzeugt dabei einen Impuls, der beim Austreten des Elements
aus diesem Bereich - d.h. beispielsweise beim Eintreten eines zwischen den Störelementen
liegenden Luftspaltes in das Feld oder in den Strahlengang - wieder gelöscht wird.
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Selbstverständlich ist dieses Abtastverfahren nicht auf die erwähnten
Beispiele beschränkt; als Geber eignen sich dariiberhinaus beispielsweise noch elektronische
Feldplatten oder
- bei longsamC Bewegungen - sogar elektromechanische
Schalter.
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Die eigentliche Drehzahlmessung erfolgt dabei durch Zählung de Impulse
während einer willkürlich gewählten Zeitspanne in einem, vorzugsweise in Digitaltechnik
ausgeführten, Zählwerk oder durch eine Analog-Frequenzntessung der Impulsfolge,
welche Messung sich am einfachsten mit einer integrierenden Einrichtung realisieren
lässt.
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Mit einer derartigen Anordnung kann eine korrekte Drehzahlmessung
jedoch nur durchgeführt werden, wenn jeder Eintritt jedes mit der Welle urnlaufenden
Störelements, beispielsweise eines jeden Zahnes oder jeden Stegs, einen, aber auch
nur einen, Impuls mit hoher Zuverlassigkeit auslöst und jeder Austritt jedes Elements
diesen Impuls wieder löscht. Eine geometrisch optimale Lage des Trägers der Störelemente
rela-tiv zum erwähnten aktiven Bereich eines Gebers ist somit dann gegeben, wenn
bei gleichförmiger Drehung des Trägers bezw. der Welle das Verhältnis zwischen Impulslänge
und Pausenlänge etwa dem geometrischen Verhältnis zwischen dem Störelement und dem
zugehörigen Luftspalt - d.h. also dem Abstand der Störelemente - entspricht. Dies
erfordert eine definierte Position des Gebers zu den Störelementen. Sind beide Teile
geometrisch zu nahe aufeinander, so kann - beispielsweise bei unvermeidlichen mechanischen
Toleranzen der Zahnform des Zahnkranzes - nicht jedes Austreten eines Zahns aus
dem aktiven Bereich den zuvor erzeugten Impuls löschen, während uragekehrt bei zu
weitem Abstand nicht jeder Zahn soweit in den
aktiven Bereich eintritt
dass dadurch ein Impuls erzeugt wird.
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Wird jedoch im Zählwerk eine zu kleine Impulszahl registriert, so
ist ein einwandfreies Arbeiten der Anordnung, besonders wenn sie als Ueberwachung
für Ueberdrehzahlen eingesetzt ist, nicht mehr gegeben.
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Weiterhin kann eine statisch noch einwandfreie Lage eines Gebers im
dynamischen Betrieb, d.h. beim Umlaufen der Welle, zu prellartigen Erscheinungen
führen, durch die von einem Störelement im Geber Mehrfach-Impulse ausgelöst werden;
diese Mehrfach-Impulse lösen dann z.B. fälschlicherweise einen Ueberdrehzahl-Alarm
aus.
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In vielen Fällen erfolgt der Einsatz solcher Drehzahlmessanordnungen-in
Bereichen der Technik, in denen ihre mechanische Beanspruchung - vor allem durch
Vibrationen - sehr gross ist.
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Derartige Bereiche sind beispielsweise Drehzahlmessungen an Dieselmotoren
für den Schiffs antrieb oder an Gas- oder Dampfturbinen. Darüberhinaus besteht häufig
die Gefahr einer unbemerkten Dejustierung einer zuvor korrekt justierten Anordnung
durch das Bedienungspersonal.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde; eine Einrichtung zu
schaffen, wodurch Fehler in der beschriebenen Drehzahlmessung aufgezeigt und bei
einer bestimmten, für die einzelnen Anwendungsfälle charakteristischen Grösse des
Fehlers, der die Zuverlässigkeit der Drehzahlmessung noch nicht beeinträchtigt,
ein Alarmsignal ausgelöst wird. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch
eine
elektronische Schaltungsanordnung gelöst, in der eine Beziehung zwischen der Dauer
-emes.ImpCllses und derjenigen einer Impulspause.-ermittelt- wird,und;ferner durch
Vergleichselemente, in dienender Istwert der erhaltenen Beziehung mit je einem oberen
bzw. unteren Grenzwert verglichen, und durch die bei Ueberschreiten dieses Grenzwertes-
nach oben-bzw. unten ein Signal ausgelöst wird. Die genannten Grenzwerte können
dabei festt aber gegebenenfalls einstellbar, - drèhzahI- oder dreh- -zahl- und zeitabhängig
sein, wobei unter Umständen nur einer dieser Werte variabel sein muss.
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Wie bereits erwähnt, ist die geometrisch optimale Lage eines Gebers
relativ zu den periodisch in seinen aktiven Bereich eintretenden Störelementen dann
gegeben, wenn bei gleichförmiger Drehbewegung die Impulslänge bzw. die Pausenlänge
der Breite, eines Störelementes bzw. eines zwischen den Störelementen liegenden
Luftspaltes entspricht.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird daher die Impulsdauer
durch eine Aufladung und die Pausendauer durch eine Entladung eines Kondensators
über einen Widerstand registriert, was vorteilhaft mit einem sogenannten WechselspannungIntegrator
realisierbar ist, d.h. mit einem Gleichspannungsintegrator, dem ein Stabilisierungselement
parallel geschaltet ist. Im Idealfall befindet sich das Ausgangs signal des Integrators
nach Ablauf einer Messperiode,- d.h. nach einem Impuls und einer - z.B. gleich langen
- Pausendauer, wieder in seinem ursprünglichen Zustand.
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Treten- Abweichungen von diesem Fall auf, so erscheint am Ausgang
des
integrierenc1er Elements ein in positiver oder negativer Richtung verschobenes Signal,
das in einem Vergleichsorgan mit je einem, meistens festen, positiven oder negativen
Grenzwert verglichen wird und bei Ueber- bzw. Unterschreiten dieses Grenzwertes
ein Signal, z.B. einen Alarm, auslöst. Gegebenenfalls kann der Integrator auch durch
ein als Quasi-Integrator wirkendes RC-Glied ersetzt sein. Als Stabilisierungselement
können entweder ein einfacher ohmscher Widerstand oder ein Tiefpassfilter verwendet
werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert: Fig. 1 zeigt schematisch in einem
Blockdiagramm den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemässen Anordnung; Fig.
2 stellt das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dar, während Fig
3 und 4 in Detailausschnitten Varianten der Schaltung nach Fig. t wiedergeben.
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In der Darstellung nach Fig. 1 gelangen die Impulslänge und Impulspause
wiedergebenden Ausgangssignale a eines Gebers 1 über einen Punkt A in eine Schaltungsanordnung
5, in der sie zueinander in Beziehung gesetzt werden. Ein Ausgangssignal b der Anordnung
5, das beispielsweise immer dann erscheint, wenn in der ermittelten Beziehung zwischen
Impuls und Pause Abweichungen von einem Sollwert auftreten, fliesst über einen Punkt
B entweder - bei positiver Abweichung vom Sollwert - einem Komparator 17 oder -
bei negativen Abweichungen vom Sollwert - einem gleichartigen
Kompatai:or
18 zu. In diesen Elementen 17 bzw. 18 wird das an kommende Fehlersignal mit einem
Referenzwert C oder D verglichen.
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Sobald das ankommende Signal b in seinem Betrag den positiven oder
den negativen Bezugswert C bzw. D übersteigt, gelangt ein Ausgangssignal c bzw.
d des jeweiligen Vergleichselements 17 bzw. 18 zu einem Oder-Glied 26, von dem aus
in diesem Fall ein Ausgangssignal e zu einer an den Punkt E anschliessbaren, nicht
dargestellten Anzeigevorrichtung, beispielsweise einer Alarmanlage, führt.
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Der an sich bekannte Geber oder Annäherungsschalter 1, der über eine
Leitung 2 mit einer nicht dargestellten Speisespannungsquelle und über eine Leitung
4 mit dem Bezugs- oder Nullpotential O verbunden ist, ist auf dem Schaltbild nach
Fig. 2 ebenfalls nur schematisch als Block dargestellt, da er, wie eingangs erwähnt,
auf sehr verschiedene Art verwirklicht sein kann. Zur Weiterleitung der von ihm
erzeugten Impulse dient eine Leitung 3, die zum Eingang A der Schaltungsanordnung
5, die in dem in Analogtechnik ausgeführten Beispiel nach Fig. 2 ein integrierendes
Element ist, führt. Nach Fig. 2 besteht dieses Element 5 aus einem Operationsverstärker
6, der mit Hilfe eines Kondensators 7 und eines ohmschen Widerstandes 8 funktionsmässig
als Integrator festgelegt ist. Der nicht invertierende Eingang 9 des Verstärkers
6 liegt über einet weiteren, ohmschen Widerstand 10, der die Aufgabe hat, die thermische
Stabilität des Verstärkers zu verbessern, auf Bezugspotential. Der invertierende
Eingang 11 ist über den Widerstand 8 mit dem Punkt A verbunden, während der Ausgang
12 des Verstärkers zu Punkt B führt. Der Ausgang 12 und der Eingang 11 sind über
den
Kondensator rückgeksppalt, zu dem als Stabilisierungselement
13 ein weiterer ohmscher Widerstand parallel geschaltet ist. Dieser hat die Aufgabe,
die Gleichstromverstärkung des zudes Verstärkers 6 zu verringern und dadurch die
Langzeitstabilität des Integrators zu verbessern oder - mit anderen Worten - die
Drift am Integratorausgang 12 zu minimalisieren.
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Das Element 5 inFig. 2 kann auch einfacher durch einen als ein RC-Glied
verwirklichter Quasi-Integrator ausgebildet sein, der einen Widerstand 8' und einen
Kondensator 7' aufweist und in der Fig. 3 gezeigten Form zwischen den Punkten A
und B sowie dem Bezugspotential 0 eingesetzt sein kann.
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Bei langsamen Drehbewegungen, d.h. geringen Drehzahlen, ist es vorteilhaft,
-wenn der Widerstand 13 in Fig. 2 als Stabilisierungselement durch ein einfaches
Tiefpassfilter nach Fig. 4 ersetzt wird, der in bekannter Weise aus zwei in Serie
zueinander liegenden, zum Kondensator 7 parallell geschalteten, ohmschen Widerständen
28 und 2'9 besteht, zwischen denen mit seiner einen Seite ein Kondensator 30 angeschlossen
ist, der mit seiner anderen Seite auf Bezugspotential 0 liegt.
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Der Punkt B ist über Leitungen 14 mit dem positiven bzw. negativen
Eingang 15 bzw. 16 der mit Operationsverstärkern ausgeführten Komparatoren 17 bzw.
18 verbunden, an. deren negativen bzw. posi-.
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tiven Eingang 19 bzw. 20 der, in diesem Fall feste, obere bzw.
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untere Grenzwert C bzw. D geführt ist. Dieser Grenzwert C bzw. D,
dessen Grösse auf Grund der bei der Drehzahlmessung zulässigen Toleranzen ausgewählt
ist, wird im Beispiel an einem aus den
Widerständen 2 22 und 23
bestc-henden Spannungsteiler abgenommen, der die zwischen den Leitungen 2 und 4
vorhandene Speisespannung entsprechend unterteIlt. Ueber'schreitet die Fehlerspannung
b die eingestellten Grenzwerte C bzw. D, so erscheint am Ausgang 24 bzw. 25 eines
der Komparatoren 17 bzw. 18 ein Ausgangssignal, das über ein Oder-Glied 26 auf eine
Signalleitung 27 gelangt und beispielsweise zu einer nicht dargestellten Alarmanlage
führt Die einzelnen an sich bekannten Bauelemente der vorstehend geschilderten Anordnung
sind vorzugsweise als integrierte Schaltungen ausgeführt, wobei die Operationsverstärker
17 und 18 in dieser Funktionsweise je einem niveauabhängigen Schalter entsprechen.
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Selbstverständlich ist es möglich, statt der vorstehend geschilderten
Schaltung, die in der Analogtechnik ausgeführt ist, die Impuls- bzw. Pausendauer
digital zu messen und weiter zu verarbeiten, was sich besonders empfiehlt, wenn
im Rahmen der zu überwachenden Anlage bereits ein Rechner vorhanden ist. Die Verarbeitung
dieser digitalen Informationen kann dabei verschiedenartig ausgeführt werden. Wird
bèispielsweise in dem Rechner aus der - als Digitalsignal vorliegenden oder in solche
umgewandelten -Impuls- und Pausendauer ein Quotient gebildet, so kann dieser Quotient
in ähnlicher Weise wie bei der analog arbeitenden Anordnung, jedoch in digitaler
Form, weiterverarbeitet werden. In diesem Falle enthält die Anordnung 5 beispielsweise
je ein bekanntes digitales Zeiterfassungselement für die Impuls- und die Pausenlänge;
nach diesem Element wird dann im Rechner eine Division durchgeführt, deren Resultat
als Ausgangs signal b zu
einem digitalen Vergleichsorgan r,lit
einem, durch zwei digital angegebene, feste oder auch drehzahlabhängige Grenzwerte
definierten Toleranzbereich geführt wird und beim Ueberschreiten dieses Bereichs
ein Signal e auslöst.