DE2353473A1 - Vorrichtung zur messung von relativen frequenzschwankungen - Google Patents

Vorrichtung zur messung von relativen frequenzschwankungen

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DE2353473A1 DE19732353473 DE2353473A DE2353473A1 DE 2353473 A1 DE2353473 A1 DE 2353473A1 DE 19732353473 DE19732353473 DE 19732353473 DE 2353473 A DE2353473 A DE 2353473A DE 2353473 A1 DE2353473 A1 DE 2353473A1
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Description

AG FA-GEVAERT
PATENTABTEILUNG
LEVERKUSEN
Ki/de
2 4. OHt. 1973
Vorrichtung zur Messung von relativen Frequenzschwankungen
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Überwachung der Drehzahlschwankung von rotierenden Wellen oder der Geschwindigkeitsschwankung von gleichmäßig bewegten Papier- oder Fölienbahnen. Bei Geräten dieser Bauart wird eine mit der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit proportionale Frequenz mit Hilfe eines Frequenz Spannungs-Wandlers in eine drehzahlanaloge Spannung umgewandelt und mittels eines elektronischen Quotienten-Netzwerkes mit den Mittelwert der Frequenz ins Verhältnis gesetzt.
Impulsfolgen lassen sich zum Beispiel !mittels elektronischer Generatoren, aber auch durch mechanische Impulsgeber auf optischer, induktiver oder mechanischer Basis erzeugen.
In vielen Fällen bestimmt die Arbeitsgeschwindigkeit einer Produktionsmaschine direkt die Qualität oder die physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften des Produktes. Koppelt man zum Beispiel einen mechanischen Impulsdrehgeber mit vernachlässigbar kleinem Teilungsfehler an eine rotierende Welle einer solchen Maschine, so läßt sich aus der Schwankung der Frequenz der Impulsfolge direkt auf die Schwankung der Drehzahl oder Umfangsgeschwindigkeit dieser Welle schließen. Umgekehrt liefert die ImpulsfolgeSchwankung eines mit konstanter Winkelgeschwindigkeit angetriebenen Impulsdrehgebers dessen Teilungsfehler. Weitere Anwendungsbeispiele sind die Messung von Tonhöhenschwankungen an Tonbandgeräten, der Frequenz-Jitter bei Impulsgeneratoren.
A-G 1164 :
509818/0623
Viele auf der Basis von Impulsfolge-Schwankungsmessungen arbeitende Meßverfahren verlangen die Kenntnis der relativen Frequenzschwankung bezogen auf den zeitlichen Mittelwert der Impulsfolge.
Ein derartiges Meßgerät ist zum Beispiel in der deutschen Patentschrift DT-PS 1 056 403 beschrieben. Dieses Gerät bildet mit Hilfe eines Quotienten-Netzwerkes den Quotienten aus der Schwankungsamplitude und dem zeitlichen Mittelwert der Impulsfolge. Genauigkeit und Meßbereichsumfang werden hierbei durch den eingebauten magnetischen Schalter und die Quotientenstufe stark begrenzt. Bei sequentiellem Betrieb des Meßgerätes mit mehreren Meßstellen besitzt das Gerät eine zu lange Einstellzeit.
Der Erfindung liegt daher als wesentliche Aufgabe die Verbesserung dieses Meßgerätes zugrunde. Insebesondere soll die Betriebssicherheit, die Meßgenauigkeit, der Meßumfang und die Eichstabilität erhöht werden.
Diese Aufgabe wird bei dem oben beschriebenen Gerät erfindungsgemäß in folgender Weise gelöst: Das Quotientennetzwerk besteht aus einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie, dessen Eingang der langzeitige Mittelwert der Gleichspannung Um und die Schwankungsamplitude U zugeführt werden und dessen Ausgang ein umschaltbares Hochpaßfilter nachgeschaltet ist.
Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht VOr1, daß der Ausgang des Quotientennetzwerkes über ein spannungsgesteuertes Sperrglied T2 mit dem Hochpaßfilter R1C1 verbunden ist, und die Zeitkonstante des Hochpaßfilters automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert U am Ausgang des Quotientennetzwerkes ändert, während die Ausgangswechselspannung Uas(T) des Quotientennetzwerkes durch das Sperrglied T2 automatisch vom Eingang des Hochpasses getrennt wird. Als Sperrglied kann ein R/C-Glied, als Hochpaß ein C/R-Glied benutzt werden. Die Widerstände sind in beiden Fällen mit Feldeffekt-Transistoren überbrückt, so daß die Zeitkonstanten umschaltbar sind.
A-G 1164 - 2 -
5098-1 8706-23
Weitere Verbesserungen des Gerätes, zum Beispiel der Einbau einer Anzeigesperre, sowie einer Grenzwertanzeige, sind in den Patentansprüchen näher beschrieben.
Mit dem neuen Gerät wird eine, wesentlich höhere Temperatur Stabilität, ein größerer. Frequenzbereich, ein geringerer offset, sowie eine bessere Linearität erzielt. Ein weiterer Vorteil liegt in dem erweiterten; Meßbereich bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit. Es wird eine Meßgenauigkeit von ca·..+ 1 % erzielt. Da sich eine logarithmische Funktion auch über lange Zeiten genau darstellen läßt, entfällt die früher notwendige Nacheichung des Meßgerätes. ·■"■".-■ ;
Mit dem umschaltbaren Hochpaßfilter erreicht man eine kürzere Umladungszeit des Hochpaßfilter und damit eine Reduzierung der Einstellzeit auf ^. 5 s.
Im folgenden wird' ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher.beschrieben. Dabei wird auch das Prinzip der Schaltung näher erläutert.; Es zeigen:
Figur T:. .Ein Blocksehaltbild der Meßanordnung Figur 2: Das Prinzip der F/U-Wandlung Figur 3: Die Wirkungsweise des Quotientennetzwerkes und Figur 4: Das umschaltbare Hoch- Tiefpaß-Filter mit ■ . Anzeigesperre und Grehzwertanzeige.
Das Meßobjekt, z.B. eine rotierende Welle 1, ist mit einem photoelektrischen Geber 2 mechanisch direkt gekoppelt. Die Zeitfunktion der Drehzahl n(t) läßt sich in zwei Komponenten:
n(t) = n
zerlegen, einen konstanten Anteil η (mittlere Drehzahl) und" einen Schwankunsanteil η (t). : - -
Die Zeitfunktion der Impulsfrequenz f(t) des Gebers 2 ist .proportional der Zeitfunktion n(t) der Welle 1:
". . f(tW n(t) . (2)
A-G 1164 ■"'"-■-../ " 3 ~ -
:■ 509818/0 623
Diese Frequenz-Zeitfunktion wird durch den Frequenz-Spannungswandler 3 (F/U-Wandlung) in eine proportionale Spannungs-Zeit-Funktion U(t) umgewandelt:
UCtW f(t) (3) .
Da zwischen der Ausgangs spannung des F/U-Wandlers und der Drehzahl-nach Beziehung (2) Proportionalität besteht, ergibt sich:
n(t) (4)
und unter Berücksichtigung von Gleichung (1):
U(t) = Um + Us(t) (5)
Die nachfolgende Quotientenstufe 4 bildet den Quotienten aus der Schwankungsfunktion Ug(t) und der mittleren Spannung Um:
•Durch die Beziehung (4) und der Gleichung (1) ist dieser Quotient proportional der Drehzahlschwankung bezogen auf die mittlere Drehzahl;
Us(t) ns(t)
also der gewünschten Meßgröße.
Die am Ausgang des Quotientennetzwerkes 4 auftretende Wechsel spannung wird anschließend einem umschaltbaren Hoch- Tiefpaß-Filter 5 zugeführt und nach Verstärkung im Verstärker 6 durch das Anzeigeinstrüment bzw. den Schreiber 7 angezeigt. Nachfolgend werden die einzelenen Funktionsgruppen 2 bis 6 näher beschrieben.
A-G 0164 - 4 -
509818/0623
■■ , ■ . ■■"■"■■ Γ - -- - ■-.- .
1. Geber , ;
Der Geber 2 hat die Aufgabe, bei einer Drehbewegung oder einem als Drehbewegung abgebildetem anderen Vorgang, eine dem Winkel proportionale Anzahl elektrischer Impulse zu erzeugen.
Er ist z.B. als photoelektrischer Geber ausgebildet und besteht aus einer drehbar gelagerten Impulscheibe, die mit einer speichenförmig angeordneten Schlitz- oder Strichmarkeneinteilung hoher Teilungsgenauigkeit versehen ist. Die Impulsscheibe unterbricht durch ihre Teilungsmarken periodisch einen Lichtstrahl, der von einer feststehenden Lichtquelle auf eine feststehende Photodiode gerichtet ist. Die Photodiode wandelt die Lichtimpulse in Spannungsimpulse um.
2. F/tr-Wandler,
Im F/U-Wandler 3 (Figur 2) werden die Spannungsimpulse des Gebers 2 durch einen monostabilen Multivibrator in Spannungsimpulse konstanter Impulshöhe U und konstanter Impulsdauer ~tumgesetzt. Unterdrückt das nachfolgende aktive Tiefpaß-Filter alle Frequenzkomponenten oberhalb einer Grenzgrequenz, so erhält man als Ausgangsspannung Ü_ des Tiefpaßfilters:
also eine der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit proportionale Spannung. -
3. Quotientennetzwerk
Im Quotientennetzwerk (Figur 3) erhält man durch Aussteuerung einer nichtlinearen Kennlinie mit der Ausgangsspannung des F/U-Wandlers 3 nach Gleichung (8) den Quotienten gemäß Gleichung (6). Als nichtlineare Kennlinie dient die logarithmische Funktion:
uv = K.mue (9)
A-G 1164 - 5 -
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.Im Arbeitspunkt A der Kennlinie, der durch die Spannung U eingestellt wird, ergibt sich die Ausgangswechselspannung Uas(t) zu:
uas(t) = v (um). . üa(t) (10)
Die Verstärkung V(U ) der Quotientenstufe ist gleich der Steigung der Kennlinie im Arbeitspunkt A (tr = U):
Mit Gleichung (9) wird jetzt
d (k. In Ue)
damit erhält man Gleichung (10) zu:
(t)
uas(t) = k .
Um
also den geforderten Quotienten nach Gleichung (7)
4. Umschaltbares Filter mit Verstärker (Figur 4) Die Ausgangswechselspannung U (t) des Quotienten-Netzwerkes 4
do ..
wird durch ein Hochpaßfilter R^C^ ausgekoppelt, in V^ verstärkt, in einem weiteren Verstärker V9 zu einem zu U__(t) proportionalen
i— CLO
Strom umgewandelt und einem in % geeichten Registrierschreiber zugeführt. Zur Erfassung auch von sehr niederfrequentmodulierten Impulsfolge Schwankungen (A^ Geschwindigkeitsschwankungen) hier.0,01 Hz - wird R^,(L· = 16 s dimensioniert; das aber bedeutet z.B. bei sequentiellem Betrieb des Gerätes mit mehreren Gebern unterschiedlicher mittlerer Drehzahl ein von R1C,. abhängiges, unzumutbar langes Einschwingverhalten des Gerätes.
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Darum wird die Zeitkonstante R1C1 mit T1 so reduziert, daß sich C1 in wenigen Sekunden auf U_ einstellen kann. Gleichzeitig wird U (t) durch ein mit T9 einschaltbäres Tiefpaß-Filter
aS . £L.
R2Cp vom Eingang des Höchpaßfilters getrennt. ;
Der Betrieb des Gerätes unter häufig sich ändernden Betriebsparametern (kontinuierliche oder spontane Änderungen des langzeitigen Mittelwertes U, Überschreitung des Meßbereiches
durch U _(t) ) erfordert zur Vermeidung von Überlastungen as
des Registriergerätes sowie später unerklärlichen Diagramm-Aufzeichnungen eine Kontrolle" des Gerätes durch eine Anzeigesperre. Solange der Impulsgeber keine Impulsfolge liefert, ist durch das Flip-Flop FF die Anzeige des Gerätes gesperrt, also T1 leitend und T2 gesperrt (die Source von T1 liegt virtuell auf 0).
Eine von 0 an zunehmende Impulsfolgefrequenz hebt die nachtriggerbar Mono-Flip-Flop- seitige Sperre des Gerätes MF über das Oder-Gatter R auf, wenn eine eingestellte" Impulsfolgefrequenz überschritten wird* Gleichzeitig wird aber über den Impedanzwandler I der Kondensator C1 auf U- geladen und hält das
ι dm -..---
Gerät mit dem Flip-Flop FF über den Ladestrom-Detektor Z- .. - D mit dem Logikausgang Ιβ1 0 über R solange gesperrt, bis über C, kein Umladestrom mehr fließt. Ist C1 geladen, so erscheint das Logiksignal. Ic1 = 0. Das Logiksignal I2 = 0 erscheint, wenn U__(t) durch 0 geht. Beide Signale werden im Und-Gatter U ver-
el S -
knüpft und geben das Flip-Flop FF frei. Damit wird T1 gesperrt und T2 nach einer Verzögerung Z leitend.
Ein Grenzwertdetektor GW 1 erzeugt an seinem Ausgang ein Logik--
signal, wenn-U„a(t) die Meßbereichsgrenze des Gerätes, da'rge-. as
stellt durch eine Schwellspänhung U^1 überschreitet. Eine
erneute Sperrung, des Gerätes kann jetzt nur hoch mittels des ,. Grenzwertdetektors GW 1 eingeleitet — und gegebenenfalls über das Logiksignal. I Λ ^O im oben beschriebenen Sinne aufrechterhalten werden. Überschreitet U__(.t) eine zweite (digitalein stellbare) Schwellspannung O^ 2^11GW 1' s0 erz(äiXlgt der Grenzwert-Detektor GW 2 an seinem Ausgang ein Logiksignal, das über
A-G 1164 / r - 7: - ■"■-; ; -■-.-._.. :.
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ein nachtriggerbares Mono-Flip-Flop den Schnellvorschub eines Registrierschreibers einschaltet. Überschreiten die relativen Impulsfolgeschwankungen bzw. Geschwindigkeitsschwankungen mit U (t) die Schwellspannung IL^ 2 Pr0 Zeiteinheit mehrfach, so wird ein Alarmzeichen ausgelöst.
5. Kontroll- und Eich-Generator
Da eine betriebsmäßige Funktionsprüfung und Eichung des Gerätes mit am Geber künstlich erzeugten definierten Impulsfolgeschwankungen nicht möglich ist, übernimmt diese Funktion ein eingebauter digital--frequenzmodulierter Impuls-Generator der wahlweise mit dem Eingang des F/U-Wandlers - auch während der eigentlichen Messungen - verbunden werden kann. Hierbei erzeugt ein Quarz-Generator über einen Frequenzteiler mit digital feingestuft wählbarem Teilungsfaktor eine Impulsfolgefrequenz. Durch eine kontinuierlich digitale Änderung des Teilungsfaktors in sehr kleinen Binär-Schritten zeitkonstanter Folge zwischen zwei digital festgelegten Grenzen entsteht eine quasi-lineare dreieckförmige Frequenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit absolut definiertem Frequenzhub. Die Hubfrequenz wird zweckmäßig so gewählt, daß diese weit unterhalb der Grenzfrequenz des Schreibers liegt.
6. Technische Daten für ein Ausführungsbeispiel
Die mit dem beschriebenen Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Impulsfolge-Schwankungen herausragenden Daten für einen Meßbereich U (t) = + 10 96 sind:
~us(t)
a) Die Bildung des Quotienten |j über einen Bereich von
1 Um bis ^ 40 Um. m
b) Meßbereich der Schwankungsfrequenz 0,01 Hz bis 100 Hz (-3dB) für f(t) ^-300 Hz (zur Definition von f(t) siehe Gl. 2).
c) Meßgenauigkeit über den Quotientenmeßbereich <£ + 1 % für f (t) ^1300 Hz
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    M ^N Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge, unter Verwendung eines Frequenz-Spannungs-Wandlers und eines elektronischen Quotientennetzwerkes, in dem die Schwankungsamplitude U_ und der Mittelwert U der Impulsfolge miteinander ins Verhältnis gesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Quotientennetzwerk "(4) aus einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie besteht, dessen Eingang der langzeitige Mittelwert der Gleichspannung Um und die Schwankungskomponente U_ zugeführt werden und dessen Ausgang ein bezüglich seiner Zeitkonstante umschaltbares Hochpäßfilter(5) nachgeschstäLtet ist.
  2. 2. Gerät, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Quotientennetzwerkes (4) über ein spannungsgesteuertes Sperrglied mit dem Hochpaß (5) verbunden ist und die Zeitkonstante des Hochpasses automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert Un am Ausgang des. Quotientennetzwerkes (4) ändert, während die Ausgangswechselspannung U _(t) des Quotientennetzwerkes (4) durch das Sperrglied automatisch vom Eingang des Hochpasses (5) getrennt wird.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied ein RC-Tiefpaß (RpjCp) ist, dessen Zeitkonstante mittels eines Feldeffekttransistors Tp umschaltbar ist.
  4. 4. Gerät nach Anspruch 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß ein CR-Glied (C1R1) ist, dessen Zeitkonstante mittels des Feldeffekttransistors T1 zu niedrigeren Werten umschaltbar ist. .."
  5. 5. Gerät nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Gerätes für die Dauer der Umladung der Kondensatoren C1 und Cp gesperrt wird. ,
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  6. 6. Gerät nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter mittels des Feldeffekttransistors T2 später geschaltet wird, als das Hochpaß-Filter mit dem Feldeffekttransisitor T^„'
  7. 7« Gerät nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigesperre vorgesehen ist,- die in Funktion tritt, wenn die ■ Schwankungsamplitude Ug(t) den Grenzwert U^ ^ des Meßbereiches überschreitet.
  8. 8. Gerät nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Grenzwertschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche die Meßwertregistrierung jeweils für eine definierte Zeit erst dann freigibt, wenn die Schwankungsamplitude U_(t) einen digital einstellbaren Grenzwert Un^r o überschreitet.
  9. 9. Gerät nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein digital-frequenzmodulierter Eichgenerator (8) zur Kontrolle und Eichung eingebaut ist.
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    509818/0 623
    Leers e i t e
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DE2353473B2 DE2353473B2 (de) 1976-11-11
DE2353473C3 DE2353473C3 (de) 1977-07-07

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0562521A3 (en) * 1992-03-25 1993-12-15 Advantest Corp Frequency deviation measuring apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0562521A3 (en) * 1992-03-25 1993-12-15 Advantest Corp Frequency deviation measuring apparatus
US5325049A (en) * 1992-03-25 1994-06-28 Advantest Corporation Frequency deviation measuring apparatus

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DE2353473B2 (de) 1976-11-11

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