DE2711593A1 - Drehzahlmesser - Google Patents

Description

• Drehzahlmesser Die Erfindung betrifft einen Drehzahlmesser mit einem optischen lmpulsgeber, bestehend aus mindestens zwei einem Unterbrecherrad zugeordneten und aus je einer Lichtquelle und je einem Fotodetektor zusammengesetzten Lichtschranken, und aus einer Schaltung zur Auswertung der vom Impulsgeber mit Hilfe des den Lichtstrom in den Lichtschranken unterbrechenden Rades erzeugten Signales Drehzahlmesser mit fotoelektrischem Impulsgeber haben gegenüber differenzierenden, insbesondere gegenüber induktiven den Vorteil, daß sie bei beliebig kleinen Drehzahlen noch funktionieren, sie haben aber dafUr Nachteile an der oberen Frequenzgrenze. Hier beginnen sie mit steigender Drehzahl die Phase zu verschieben und aus den zunachst fast rechteckigen Impulsen dreieckförmige mit abnehmender Amplitude zu machen, was die Auswertung der Impulse beeinträchtigt.
• Hohe Impulszahlen je Umdrehung sind aber erwünscht, um die Messzeit klein halten zu können. Wäre z.B. eine Genauigkeit der Messung von 10/ovo verlangt, so müssten mindestens 1000 Impulse abgezählt werden. Je höher die Impulszahl je Umdrehung ist, desto größer werden die Anforderungen an die Genauigkeit des Geberrades: sobald man nicht genau eine Umdrehung mißt, gehen sowohl mechanische Teilungsfehler als auch Exzentrizitätsfehler in die Messung ein.
• Aufgabe der Erfindung ist, den Impulsgeber des Drehzahlmessers so auszubilden,daß auch bei hoher Impulsfrequenz und bei mechanischen Ungenauigkeiten einwandfreie Signale erhalten werden, die eine zuverlässige Auswertung zulassen.
• Zu diesem Zweck ist der einleitend beschriebene Drehzahlmesser gekennzeichnet durch zwei um 1800 Drehwinkel versetzte Lichtschranken und durch eine Auswertschaltung, durch die die Signale beider Lichtschranken zu einem gemeinsamen Ausgangssignal gleicher, aber gemittelter Frequenz zusammengesetzt werden. Auf diese Weise gelingt es, auch bei hohen Frequenzen brauchbare Signale verbesserter Genauigkeit zu erhalten.
• Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die Lichtschranken um 1800 Drehwinkel + 1800 Signalphasenwinkel gegeneinander versetzt. Man erhält so gegenphasige Signale, die dann voneinander subtrahiert werden.
• Zur Unterscheidung von Luuf und Stillstand wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung der Wechselstromanteil der Ausgangsspannung einem Spitzengleichrichter zugeführt und dessen Signal zur Anzeige von Lauf und Stillstand benutzt. Durch Spitzengleichrichtung des Wechselstromanteils der Rechteckausgangsspannung wird ein Laufsignal entsprechend einem logischen High erzeugt und ein Abfall dieses Signals unter einem definierten Bruchteil (=Low) bedeutet Stillstand.
• Es ist bekannt, aus zwei um etwa 900 phasenverschobenen Lichtschranken ein der Drehrichtung entsprechendes Signal abzuleiten. Dies geschieht meist mit digitalen Ititteln hinär, d.h. es sind nur zwei SZöglichkeiten, nämlich vor oder zurück, aus dieser Messung abzuleiten. Bei Stillstand wird entweder die letzte Richtung vor dem Halt oder nach dem ersten Einschalten zufallsbedingt eine beliebige Richtung angezeigt. Das ist aber dann unerwünscht, wenn mit Hilfe der Detektion des Rücklaufs dieser gerade verhindert werden soll. Hier könnte bei Stillstand schon Fehlala; 1 angezeigt werden.
• Um eine möglichst kurze Messzeit zu erreichen, wird nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die erzeugte Impulsfrequenz des Ausgangss-ignals mit Hilfe eines Phaselock-loop-Reglers um einen hohen Faktor vergrößert und so die Messporiode eines Frequenzzählers verkleinert. Diese Rassnahme ist auch bei bekannten Drehzahlmessern anwendbar. Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, in dieser Zeigen: Fig. 1 einen Impulsgeber, Fig. 2 vom Impulsgeber erzeugte Signale, Fig. 3 eine Schaltung für eine zusätzliche Verschiebung der Lichtschranken, Fig. 4 eine Schaltung zur Erzeugung eines Lau- bzw.
• stillstandssignales und Fig. 5 einen Phase-lock-loop Regler (P11).
• Fig. 1 zeigt ein Unterbreclerrad 1. Es sitzt auf einer Welle 2, deren Drehzahl gemessen werden soll. Das lichtdurchlässige Rad 1 hat lichtundurchlässige Felder 3 in Form von Zähnen. Sie untcrbrechen bei Rotation des Rades 1 periodisch die Lichtbündel zweier mit 4 und 5 bezeichneter Lichtschranken. Jede Schranke besteht in bekannter Weise aus einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor, die einander zu beiden Seitein des Rades 1 gegenüberliegen.
• In den Lichtdetektoren werden periodische Stromimpulse erzeugt, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Wie Fig. 2 erkennen läßt, erzeugen mechanische Ungenauigkeiten des Rades 1 ungleichmäßige, in Fig. 2 übertrieben gezeichnete Impulsbreiten der Wechselspannungen 6 und 7. Die Schräge der Flanken der Halbwellen kommt daher, daß der Lichtstrahl im Verhältniszur Zahnbreite selbst eine gewisse Breite hat, d.h. erst allmählich abgedeckt oder freigegeben wird. Solange die Ungenauigkeiten nur innerhalb dieser Schräge liegen, ergibt sich durch die Summierung von 6 und 7 eine gemittelte Spannung 8 in der insbesondere Fehler durch eine exzentrische Montage des Rades 1 auf der Welle ?. quantitativ eliminiert sind. Aber auch statistische Fehler der einzelnen Zähne werden auf das 0,7 fache, (bei n Lichtschranken auf das 1/n fache) reduziert. Die elektrische Addition zweier Spannungen ist bekannt. Diesem Zweck dient die in Fig. 2 gezeigte Schaltung. Sie besteht aus addierenden Widerständen 16, 17 und 18, einem invertierenden Verstärker 19, einem Gegenkupplungswiderstand 18a und einem Ausgang zur Abnahme der Impulse 8.
• In Fig. 3 ist gezeigt, wie dirch eine zusätzliche Verschiebung einer der Lichtschranken 4 oder 5 um eine Zahnbreite also um 180 Phasengrad, zusätzliche Verbesserungen erreicht werden.
• Die jetzt mit 9 und 10 bezeichneten Impulsspannungen verlaufen nun wegen der Versetzung angenähert gegenphasig. Da 1800 Phase einer Vorzeichenumkehr gleich ist, worden nun die Spannungen 9 und 10 an gegenphasige, subtrahierende Eingänge eines Verstärkers 11 angeschlossen, um eine Mittelwertbildung zu erzielen. Man sieht, daß jetzt auch Unsymmetrien, z.B. wenn die Dunkelpause länger als diew Hellimpulse ist, ähnlich wie die Ungleichheiten in Fig. 2 ausgeglichen werden. Zusätzlich ergibt sich noch eine technologische Voreinfachung und Erhöhung der lleßsicherheit durch den Ausgleich der Gleichspannungsanteile der Spannungen 9 und i' an den Verstärkereingängen. Würde man diese bei benutzung nur eines Eingangs durch eine feste Spannung kompensieren, wo wurde sie bei Amplitudenänderungen falsch (Pegel 12) und die Ausgangsspannung 13 wieder unsymmetrisch, bei größerer Abweichung sogar verschwinden. Mit der Schaltung nach Fig. 3 dagegen können auch die erheblich reduzierten Signalamplituden höherer Frequenze noch ausgenutzt werden. Empüfindlichkeitsunterschiede der Lichtschranken werden mit den Widerständen 14, 15 abgeglichen.
• In Fig 4 ist eine Schaltung zur Erzeugung eines Lauf- bzw.
• Stillstands-Signals dargestellt. In einem Verstärker 20 wird die anfallende Impulsspannung weiter verstärkt und niederohmig gemacht. Ein Widerstand 22 deutet eine Last an Mit einem Kondensator 23 wird ein Wechselstromsignal abgeleitet, das bei langsamer Drehung nur aus Imzulsen,herrUhrend von den Flanken der Rechteckspannung, besteht Der Wechselstrom wird von zwei z B. nach Delon geschalteten Dioden 24, 25 gleichgorichtet und lädt einen Kondensator 26 auf, Dicser bildet mit einem Entladewiderstand 27 und dem Eingangswiderstand eines Gatters 28 eine Keitkonstante, welche die Größenorhiung der längsten, noch als "Lauf" definicrtc Periodendauer bestimmt. Solche Gleichrichter mit kurzer Lade- aber sehr langer Entladezeitkonstante sind als Spitzengleichrichter bekannt. Vorteilhaft wählt man für das Gatter 28 eine sehr hochohmige Ausführung, z.B.
• in CMOS-Technik. Der invertierte Ausgang 29 dcs Gattcrs 28 wird also unterhalb der Mindestdrehzahl, Stillstand #High und oberhalb des Laufes #Low anzeigen. Mit üblichen Mitteln der Digitaltcchnik und mit der bekannten Richtungsermittlung aus 90° phasenverschobenen Spannungen @nn dann dic Anzeige der drei Zustande "Vor", "Stillstald" und "Rückwärts" erfolgen, entweder auf zwei binären Ausgängen oder auf einem mit drei Zuständen: +, 0 und -In Fig. 5 bezeichnet 30 einen Phase-lock-loop-Regler, (PLL) wie z.B. einen CMOS-Baustein 4046. Seinem Eingang 31 wird die von dem beschriebenen Impulsgeber erzeugte Spannung zugeführt. Dabei braucht diese nur eine mäßige, z.B. 60-fache Erhöhung der zu messenden Drehfrequenz durch 60 Geberzähne zu enthalten. Diese Spannung ist auch schon über - möglicherweise lange- Leitungen zum Ort der Anzeige geführtworden, während die hier zu erzeugende hohe Frequenz nur intern am Zähler benötigt wird. Der Ausgang 32 des Pll ist auf einen Zähler 33 geschlatet, der z.B. bis 10 oder 100 zählt, d.h.
• eine um den Faktor 10 oder 100 kleinere Frequenz am Ausgang 34 erzeugt. Diese wird dem Vergleichseingang 35 des PLL 30 zugeführt. Durch seine Frequenz-regel-funktion fi1= f35 wird so am Ausgang die 10- bzw. 100-fache Frequenz der Impulsspannung erzeugt. Diese kann nun auch in 1/10 bzw.
• 1/100 der Zeit mit gleicher Genauigkeit durch einen Zähler 36 gezählt werden. Nur für eine Anzeige würde es sich aber nicht lohnen, die Nef3geschwindigkeit zu verbessern. Deshalb ist ein D/A-Wandler 37 vorgesehen, der die nur noch schwach verzögerten Meßwerte für einen analogen Regler des Wollenantrieb umformt. Ein Digitalregler könnte natürlich direkt don Zählwert von 36 verarbeiten.
• Die zuvor beschriebenen heinzelnon Anordnungen und Schaltungen zur Behebung der erwähntern Nachteile erganzen sich zwar zu einem besonders vorteilhaften Drehzahlmesser, doch können sie auch einzeln zusammen mit herkömmlichen Teilen angewandt werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche X Drehzahlmesser mit einem optischen Impulsgeber bestehend aus mindestens zwei einem Unterbrecherrand zugeordneten und aus einer Lichtquelle und je einem Fotodetektor zusammengesetzten t1ichtschranken und aus einer Schaltung zur Auswertung der vom Impulsgeber mit Hilfe des den Lichtstrom in den Lichtschraiken unterbrechenden Rades erzeugten Signale, gekennzeichnet, durch zwei am Unterbrecherrad (1) um 1800 Drehwinkel versetzte Lichtschranken (4, 5) und durch eine Sch>:tung, durch die die Signale beider Lichtschranken zu einem gemeinsamen hasgangssignal gleicheBaber gemittelte Frequenz zusammengesetzt werden.
2. 2. Drehzahlmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken um 1800 Drehwinkel + 1800 Signalphasenwinkel gegeneinander versetzt sind.
3. 3. Drehzahlmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromanteil der Ausgangsspannung einem Spitzengleichrichter zugeftihrt und dessen Signal zur Anzeige von Lauf und Stillstand benutzt wird.
4. 4. Drehzahlmesser insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Impulsfrequenz des Ausgangssignals mit Hilfe eines Phase-lock-loop Reglers um einen hohen Faktor vergrößert und so die Messperiode eines Frequenzzählers verkleinert wird,