DE2353473B2

DE2353473B2 - Vorrichtung zur messung und registrierung von relativen frequenzschwankungen

Info

Publication number: DE2353473B2
Application number: DE19732353473
Authority: DE
Inventors: Julius Dr. 5074 Odenthal; Marganitz Alfred 5070 Bergisch Gladbach; Pöhler Friedmar 5090 Leverkusen Geiger
Original assignee: Agfa Gevaert AG
Current assignee: Agfa Gevaert AG
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1973-10-25
Publication date: 1976-11-11
Also published as: DE2353473A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge, bei dem ein Frequenzspannungswandler und ein elektronisches Quotientennetzwerk in Reihe geschaltet sind, wobei das Quotientennetzwerk durch einen Vierpol mit nichthnearer Kennlinie gebildet wird, dem die SchwankungsaraplitudeIZ₁ und der Mittelwert U_n, der Impulsfolge zugeführt werden und durch den Vierpol miteinander ms Verhältnis gesetzt werden. Insbesondere eignet sich die Erfindung zur Überwachung der Drehzahlschwankung von rotierenden Wellen oder der Geschwindigkeitlschwankung von gleichmäßig bewegten Papieroder Folienbahnen. Bei Geräten dieser Bauart wird eine mit der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit proportionale Frequenz mit Hilfe eines Frequenz-Spannunes-Wandlers in eine drehzahlanaloge Spannung umgewandelt und mittels eines elektronischen Quotientennetzwerkes mit dem 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 Impulsgeber 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.

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 10 56403 beschrieber. 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. Insbesondere 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 Ausgang ein Hochpaßfilter nachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert U_n, am Ausgang des Quotientennetzwerkes ändert, während gleichzeitig durch ein dem Hochpaßfilter vorgeschaltetes Tiefpaßsperrglied die Ausgangswechselspannung Ujt) des Quotientennetzwerkes automatisch vom Eingang des Hochpasses getrennt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Sperrglied als KC-Tiefpaß ausgebildet, dessen

Xeitkonstante mittels eines Feldlffekt-Transistors T₂ *^ί Spaß'

eldjffel

Durch die Beziehung (4) und die Gleichung U) ist dieser Quotient proportional der Drehzahlsurman kung. bezogen auf die mittlere Drehzahl

ransistcrs i, aui nicuiigcic »»v·^ _u.·.^..».^^ ^-

Weitere Verbesserungen des Gerätes, zum Beispiel

Apr Einbau einer Anzeigesperre s.wie einer Grenz-

wertanzeige, sind in den Patentansprüchen näher be

ujit)

(7)

⁸MU dem neuen Gerät wird eine wesentlich l.öhere T>moeraturstabüität, ein größerer Frequenzbereich, in längerer offset sowie eine bessere Lineantat PTTielt Ein weiterer Vorteil liegt in dem erweiterten Meßbereich bei gleichzeitig verbesserter Genauigkeit. Es Seme Meßgenauigkeit von ca. ± 1 % erzielt. Da drh eine logarithmische Funktion auch über lange Siten genau darstellen läßt, entfällt die früher notwendige Nacheichung des Meßgerätes. Mit dem umschaltbaren Hochpaßfilter erreicht man ■Jr kürzere Umladungszeit des Hocnpaßfilter und damit eine Reduzierung der Einstellzeit auf <> s.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeisp.el der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben Dabei wird auch das Prinzip der Schaltung

f¹S

^SfBbCkSaIIbUd der Meßanordnung. Pie" -> das Prinzip der F/U-Wandlung. Fig. 3 die Wirkungsweise des Quotientennei/-

l Taus umschaltbare Hoch-Tiefpaß-Filter mit 'esDerre und Grenzwertanzeige. S: Meßobjekt. z.B. eine rotierende Welle 1. ,st mit einem photoelektrischen Geber 2 mechanisch Jirekt gekoppelt. Die Zeitfunktion der Drehzahl „(M läßt sich in zwei Komponenten

n(t) =

(Il

zerlegen, einen konstanten Anteil /i„, (mittlere Drehzahl) und einen Schwankungsanteil n_s(r). 4·

Die Zeitfunktion der Impulsfrequenz /Cf) des Gebers 2 ist proportional der Zeitfunktion n(r) der Welle 1:

Diese Frequenz-Zeitfunktion wird durch den Frcquenz-Spannungswandler 3 (F/U-Wandlung) in eine proportionale Spannungs-Zeitfunktion UU) umgewandelt·.

also der gewünschten Meßgröße.

Die am Ausgang des Quotientennetzwerkes 4 auftretende Wechselspannung wird anschließend einem umschaltbaren Hoch-Tiefpaß-Filter 5 zugeführt und nach Verstärkung im Verstärker 6 durch das Anzeigeinstrument bzw. den Scheiber 7 angezeigt. Nachfolgend werden die einzelnen Funktionsgruppen 2 bis 6 näher beschrieben.

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.

Hr ist 7. R als photoelektrischer Geber ausgebildet und besteht aus einer drehbar gelagerten lmpulsschei- < be. die mit einer speichenförmig angeordneten Schlitzoder S'richmarkeneinteilung hoher Teilungsgenauigkeit verschen ist. Die Impulsscheibe unterbricht durch ihre Teilungsmarken periodisch einen Lichtstrahl, der von einer feststehenden Lichtquelle auf «j eine feststehende Photodiode gerichtet ist. Die Photodiode wandelt die Lichtimpulse in Spannungsimpulse um.

2. F U-Wandler

Im F U-Wandler 3 (Fig. 2) werden die Spannungsimpulse des Gebers 2 durch einen monosiabilcn Multivibrator in Spannungsimpulse konstanter Impulshöhe U₁, und konstanter Impulsdauer r umgesetzt. Unterdrückt das nachfolgende aktive Tiefpaß-Filter alle Frequenzkomponenten oberhalb einer Grenzfrequenz, so erhält man als Ausgangsspannung U₁₁ des Tiefpaßfilters

' ■ U₀ F ■ . 4 , ,\

1 ! ₌ = T C₁, ./Hl.

(8)

(3)

Da zwischen der Ausgangsspannung des FU-Wandlers und der Drehzahl nach Beziehung (2) Proportionalität besteht, ergibt sich

UU) - n(t) (41

und unter Berücksichtigung von Gleichung (i)

UU) = U_n, + Li,U). (5)

Die nachfolgende Quotientenstufe 4 bildet den Quotienten aus der Schwankungsfunktion i'_s(/l und der mittleren Spannung U_m also eine der Drehzahl bzw. Geschwindigkeit proportionale Spannung.

3. Quotientennetzwerk

Im Quotientennet/werk (F i g. 3) erhält man durch Aussteuerung einer nichtlinearen Kennlinie mit der Ausgangsspannung des F/U-Wandlers 3 nach Gleichung (8) den Quotienten gemäß Gleichung td). Als nichtlincare Kennlinie dient die logarithmische Funk-

lion

Q -

U ,U)

u„, Im \rbeitspunkt A der Kennlinie, der durch die Spannung U_n, eingestellt wird, ergibt sich die Ausgangsweehsclspannung U₁Jt) zu

''Jf) "-■ I-'(U_1n)- UJfI. UO)

Die Verstärkung 1(U_1n) der Quoiientcnstufc ist

gleich der Steigung der Kennlinie im Arbeilspunkt A (U₁. = UJ

V(UJ =

dU.

(H)

Mit Gleichung (9) wird jetzt

\nU_e)\ k

) _Vm = _Ue

damit erhält man Gleichung (10) zu

Ujt) = k- ψ^] ,

(13)

also den geforderten Quotienten nach Gleichung (7).

4. Umschaltbares Filter mit Verstärker (F i g. 4)

Die Ausgangswechselspannung U_ax(t) des Quotienten-Netzwerkes 4 wird durch ein Hochpaßfilter R^C₁ ausgekoppelt, in V₁ verstärkt, in einem weiteren Verstärker V₂ zu einem zu U_as(t) proportionalen Strom umgewandelt und einem in % geeichten Registrierschreiber 7 zugeführt. Zur Erfassung auch von sehr niederfrequentmodulierten Impulsfolgeschwankungen (~ Geschwindigkeitsschwankungen) — hier 0,01 Hz — wird R^C₁ = 16 s dimensioniert; das aber bedeutet z. B. bei sequentiellem Betrieb des Gerätes mit mehreren Gebern unterschiedlicher mittlerer Drehzahl ein von R₁C₁ abhängiges, unzumutbar langes Einschwingverhalten des Gerätes. Datum wird die Zeitkonstante R₁C₁ mit T₁ so reduziert, daß sich C₁ in wenigen Sekunden auf U_a„ einstellen kann. Gleichzeitig wird U_as(t) durch ein mit T₂ einschaltbares Tiefpaß-Filter R₂C₂ vom Eingang des Hochpaßfilters getrennt.

Der Betrieb des Gerätes unter häufig sich ändernden Betriebsparametern (kontinuierliche oder spontane Änderungen des langzeitigen Mittelwertes U_am, Überschreitung des Meßbereiches durch U_aj,t)) erfordert zur Vermeidung von Überlastungen des Registriergerätes sowie später unerklärlichen Diagramm-Aufzeichnungen eine Kontrolle des Gerätes durch eine Anzeigesperre. Solange der Impulsgeber keine Impulsfolge liefert (Maschinenstillstand), ist die Anzeige durch das Flip-Flop FF über die Ruhestellung des Mono-Flip-Flop MF über die Verbindung des Oder-Gatters R gesperrt, also T₁ leitend und T₂ gesperrt (die Source von T₁ liegt virtuell auFO).

überschreitet die von 0 an zunehmende Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers bei Maschinenanlauf einen vorgegebenen Wert, so kippt dasnachtriggerbare Mono-Flip-Flop MF nicht zurück, so daß die Mono-Flip-Flop-seitige Sperrung des FF über den R-Eingang aufgehoben wird. Gleichzeitig wird aber über den Impedanzwandler 7 der Kondensator C_x auf U_n, geladen und hält das Gerät mit dem Flip-Flop FF über den Ladestrom-Detektor 7_cl - D mit dem Logikausgang Z₁, = 0 über R so lange gesperrt, bis über C₁ kein Umladestrom mehr fließt. Ist C₁ geladen, so erscheint das Logiksignal I_n — 0. Das Logiksignal I_c2 = 0 erscheint, wenn U_as(t) durch 0 geht. Beide

s Signale werden im Und-Gatter U verknüpft und geben das Flip-Flop FF frei. Damit wird T₁ gesperrt und T₂ nach einer Verzögerung Z leitend.

Ein Grenzwerldeteklor GWl erzeugt an seinem Ausgangein Logiksignal, wenn l/_as(()dieMciJbereichsgrenze des Gerätes, dargestellt durch eine Schwellspannung U_GWl, überschreitet. Eine erneute Sperrung des Gerätes kann jetzt nur noch mittels des Grenzwertdetektors GWl eingeleitet — und gegebenenfalls über das Logiksignal /_fl * 0 im oben beschriebenen Sinne

is aufrechterhalten werden, überschreitet U_as(t) eine zweite (digital einstellbare) Schwellspannung U_GW1 < U_6m. so erzeugt der Grenzwert-Detektor GWl an seinem Ausgang ein Logiksignal, das über ein nachtriggerbares Mono-Flip-Flop den Schnellvor-

2ü schub eines Registrierschreibers einschaltet. Uberschrei.en die relativen Impulsfolgeschwankungen bzw. Gescliwindigkeitsschwankungen mit U_as(t) die Schwellspannung U_0W2 pro 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 Teilungsfakor eine Impulsfolgefrequenz. Durch eine kontinuierlich digitale Änderung des Teilungsfaktors in sehr kleinen Binär-Schrittcn zeitkonstanter Folge zwischen zwei digital festgelegten Grenzen entsteht eine quasi-lineare dreieckiörmige 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

Mit dem oben beschriebenen Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwan-

kungen einer Impulsfolge für einen Meßbereich

= ± 10% wurden folgende herausragende Daten erzielt:

a) Die Bildung des Quotienten

über einer

Bereich von 1 U_n, bis ^40l/_m.

b) Meßbereich der Schwankungsfrequenz 0,01 H2 bis 100 Hz (- 3 dB) für f{t) >300 Hz (zur De finition von f(t) siehe Gleichung 2).

c) Meßgenauigkeit über den Quotientenmeßbereid s ± 1% für /(t) > 1300 Hz.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zur Messung und Registrierung von relativen Frequenzschwankungen einer Impulsfolge, bei dem ein Frequenzspannungswandler und ein elektronisches Quotientennetzwerk in Reihe geschaltet sind, wobei das Quotientennetzwerk durch einen Vierpol mit nicht linearer Kennlinie gebildet wird, dem die Schwankungsamplitude U, und der Mittelwert U_m der Impulsfolge zugeführt werden und durch den Vierpol miteinander ins Verhältnis gesetzt werden, d a durch gekennzeichnet, daß das Quotientennetzwerk aus einem Verstärker mit logarithmischer Kennlinie besteht, dessen Ausgang ein Hochpaßfilter Bachgeschaltet ist, dessen Zeitkonstante automatisch reduziert wird, wenn sich der langzeitige Mittelwert U_n, am Ausgang des Quotientennetzwerkes (4) ändert, während gleichzeitig durch ein dem Hochpaßfilter vorgeschaltetes Tiefpaß-Sperrglied die Ausgangswechselspannung U_as(t) des Quotientennetzwerkes automatisch vom Eingang des Hochpasses getrennt wird.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied ein RC-Tiefpaß (R₂C₂) ist, dessen Zeitkonstante mittels eines Feldeffekttransistors T₂ umschaltbar ist.

3. Gerät nach Anspruch 1—2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochpaß ein CR-Glied (C₁R₁) ist, dessen Zeitkonstante mittels eines Feldeffekttransistors T₁ zu niedrigeren Werten umschaltbar ist.

4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Gerätes beim Auftreten von Änderungen des langzeitigen Mittelwertes U_m für die Dauer der daraus resultierenden Umladung der Kondensatoren C₁ und C₂ gesperrt wird.

5. Gerät nach Anspruch 1—4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Filter mittels des Feldeffekttransistors T₂ später geschaltet wird, als das Hochpaß-Filter durch den Feldeffekttransistor Ά-

6. Gerät nach Anspruch 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigesperre vorgesehen ist, die in Funktion tritt, wenn die Schwankungsamplitude U_s(t) einen Grenzwert U_CWl des Meßbereiches überschreitet.

7. Gerät nach Anspruch 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Grenzwertschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche die Meßwertregistrierung jeweils für eine definierte Zeit erst dann freigibt, wenn die Schwankungsamplitude U_s(t) einen digital einstellbaren Grenzwert U_GW2 überschreitet.

8. Gerät nach Anspruch 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein digital-frequenzmodulierter Eichgenerator (8) zur Kontrolle und Eichung eingebaut ist.