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Ergometer
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Die Erfindung betrifft Ergometer.
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Ergometer sind z.B. aus der DE-AS 26 29 516 bekannt.
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Diese bekannten Ergometer weisen jedoch zum einen den Nachteil auf,
daß sie das ausgeübte Drehmoment nicht genau bestimmen können. Das liegt daran,
daß die Durchbiegung der Kurbeln gemessen wird. Damit tritt bereits ein Meßfehler
ein, weil die auf die Pedale ausgeübten Kräfte nicht nur eine Durchbiegung der Kurbeln
in Längsrichtung sondern auch eine Verdrehung derselben bewirken. Diese Verdrehung
wird mit den Meßstreifen nicht bestimmt. Der Teil des vom Benutzer ausgeübten Drehmoments,
welcher zu einer Verdrillung der Kurbeln führt, wird deshalb bei der Messung nicht
erfaßt. Da andererseits diese Verdrehung über einen Umlauf der Kurbel nicht konstant
ist, sondern von der Winkelstellung der Kurbel abhängig ist, ist diese Meßungenauigkeit
von erheblicher Bedeutung.
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Diese bekannten Ergometer weisen ferner den Nachteil auf, daß sie
zur Bestimmung der vom Benutzer ausgeübten Leistung das am Ergometer eingestellte
Lastmoment mit der Drehzahl multiplizieren müssen. Das wiederum bedeutet, daß lediglich
ein über mehrere Umdrehungen gemittelter Wert der ausgeübten Leistung und auch des
ausgeübten Drehmoments bestimmt werden kann, nicht jedoch ein Wert für nur eine
Umdrehung oder für einen Teilbereich einer Umdrehung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ergometer zu schaffen,
welches
die Messung der vom Benutzer erbrachten Leistung ständig und auch in Abhängigkeit
von der Winkelstellung der Kurbeln ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch zwei parallel zueinander
angeordnete Scheiben, von denen die eine kraftschlüssig mit mindestens einer der
Kurbeln und die andere kraftschlüssig mit der Belastungseinrichtung verbunden ist,
durch eine Rückstelleinrichtung, welche die beiden Scheiben miteinander koppelt
und einer relativen Winkelverdrehung entgegenwirkt, und durch eine Einrichtung zur
Messung der Winkelverdrehung der einen Scheibe relativ zur anderen Scheibe.
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Mit der Erfindung wird eine erstaunliche Vielzahl von Vorteilen erreicht.
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Zunächst ist der Vorteil zu nennen, daß die Winkelverdrehung der beiden
Scheiben relativ zueinander mit nahezu beliebiger Genauigkeit bestimmt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die der relativen
Winkelverdrehung entgegenwirkende Rückstellkraft der Rückstelleinrichtung in beliebiger
Weise weich oder hart, proportional oder überproportional voreinstellbar ist. Die
pro Einheit der Drehmomentsänderung wirkende Relativverdrehung kann auf diese Weise
innerhalb des Meßbereiches, der besonders genau bestimmt werden soll, besonders
groß sein. Auf diese Weise kann die Meßgenauigkeit weiter erhöht werden.
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Von Bedeutung ist auch, daß das vom Benutzer ausgeübte Drehmoment
nicht nur von seiner Körperhaltung abhängig
ist, sondern - im Falle
von Fahrradergometern - auch davon, in welchem Bereich des Kreisbahnumlaufs das
Pedal sich gerade befindet. Das größte Drehmoment wird der Benutzer mit jedem seiner
Beine etwa dann ausüben, wenn das Pedal sich im mittleren Bereich der Abwärtsbewegung
befindet, also in dem Bereich, in dem die Kurbel etwa in horizontaler Richtung nach
vorne zeigt, oder etwas oberhalb dieses Bereiches.
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Während der Aufwärtsbewegung der Pedale wird von dem Fuß des Benutzers
kein Drehmoment in Vorwärtsrichtung übertragen sondern, wenn überhaupt eines übertragen
wird, dann ein Bremsen des Drehmoments in Rückwärtsrichtung.
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Diese ständige Änderung des ausgeübten Drehmoments in nerhalb einer
Umlaufbahn der Pedale wird auch eine ständige Änderung der relativen Winkelstellung
der beiden Scheiben zueinander bewirken. Die Messung dieser Änderung der relativen
Winkelstellung, welche in einem Bereich von 5 oder 10 Grad stattfindet, kann innerhalb
eines ähnlich kleinen Winkelbereichs gemessen werden.
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Damit sind erstmals Messungen des vom Benutzer in den verschiedenen
Winkelstellungen ausgeübten Drehmoments und der vom Benutzer in den verschiedenen
Winkelstellungen ausgeübten Leistung im laufenden Betrieb möglich.
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Zur Genauigkeit der durchzuführenden Messung der relativen Winkelverdrehung
der Scheiben zueinander wird noch darauf hingewiesen, daß diese Meßgenauigkeit durch
beliebige Vergrößerung des Durchmessers der Scheiben nahezu beliebig vergrößert
werden kann.
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Die eine der beiden Scheiben kann drehfest mit der
beiden
Kurbeln gemeinsamen Achse verbunden sein. Die andere Scheibe kann ebenfalls auf
der beiden Kurbeln gemeinsamen Achse, relativ zu dieser jedoch Frei drehbar angeordnet
sein. Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Scheiben
dicht nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht eine besonders genaue
Messung der relativen Winkelverdrehung der beiden Scheiben zueinander.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist eine magnetische Einrichtung
zur Messung der relativen Winkelverdrehung der der beiden Scheiben zueinander vorgesehen.
An den Scheiben können Magnete befestigt sein, welche mit neben den Scheiben angeordneten
Induktionsspulen zusammenwirken, und ferner kann eine Einrichtung zur Ermittlung
der Differenz der Winkelgeschwindigkeit und zur Ermittlung der relativen Winkelverdrehung
der beiden Scheiben vorgesehen sein. Die Scheiben selber können aus Kunststoff oder
aus einem nicht magnetischen Metall bestehen. Entscheidend ist dabei lediglich,
daß die gewünschte Induktionswirkung erzielt wird. Um eine höhere Meßgenauigkeit
zu erzielen, ist es zweckmäßig, eine Anzahl von Magneten auf den Scheiben so anzuordnen,
daß während einer vollen Umdrehung der Scheibe jeweils viele Induktionsstöße erzeugt
werden.
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Ein besonderer Vorteil dieser beschriebenen magnetischen Messung liegt
darin, daß sie mit einer stationären Spuleneinrichtung außerhalb der beiden Scheiben
durchgeführt werden kann. Es sind somit keine Bürstenabnehmer oder ähnliche Vorrichtung
notwendig.
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Außer der Erhöhung durch Anzahl der Magnete pro Scheibe kann die Meßgenauigkeit
auch durch Vergrößerung der Scheiben selber erhöht werden.
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Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist eine optische
Einrichtung zär Messung der Bewegung und der relativen Winkelverdrehung der beiden
Scheiben vorgesehen. Auch diese Ausführungsform der Erfindung weist den Vorteil
auf, daß die Drehung der einzelnen Scheiben und auch ihre relative Winkelverdrehung
von einer außerhalb der Scheiben angeordneten, stationären Meßeinrichtung vorgenommen
werden können.
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In den Scheiben können Ausnehmungen ausgebildet sein, welche während
eines Teils der Umdrehung der Scheiben den Strahlenweg für optische Abtaststrahlen
einer Meßeinrichtung freigeben. Durch abwechselnde Freigabe und Unterbrechung dieses
Abtaststrahls werden jenseits der Scheiben Impulszüge erzeugt. Die Dauer der einzelnen
Impulse hängt von der Breite der Ausnehmungen in Bogenrichtung und von der Geschwindigkeit
der Scheiben ab. Je breiter die Ausnehmungen sind, umso größer ist die Dauer der
Impulse im Verhältnis zu den Pausen.
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Dieses Impuls-Pause-Verhältnis wäre somit beim Abtasten einer einzigen
Scheibe konstant, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher die Scheibe sich
dreht. Die Geschwindigkeit der Umdrehung der Scheibe verändert lediglich die Frequenz
der Impulsfolge, rlicht jLdoch das m!)uis-PaUse-Verhl tn i .
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Diese Messung der Geschwindigkeit der beiden Scheiben kann für jede
Scheibe einzeln vorgenommen werden. Abtaststrahlen und die erforderlichen Empfänger
können mit sehr kleinem Durchmesser ausgebildet sein. Es ist deshalb möglich, auf
einer einzigen Scheibe in einer
kreisförmigen Anordnung sehr viele
Ausnehmungen auszubilden; bei Scheiben mit einem Durchmesser von etwa 40 cm können,
wenn es erwünscht ist, leicht 100 bis 200 Ausnehmungen vorgesehen sein. Es ist somit
offensichtlich möglich, die Geschwindigkeit einer Scheibe beliebig genau zu bestimmen.
Es ist darüber hinaus aus den genannten Gründen nicht nur möglich, eine mittlere
Geschwindigkeit der Scheibe während eines kleinen Bruchteils eines Umlaufs zu messen,
sondern es ist auch möglich, die Änderung der Geschwindigkeit der Scheibe innerhalb
eines beliebig kleinen Winkels, der nur einen Bruchteil eines Umlaufs beträgt, beliebig
genau zu bestimmen.
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Vorzugsweise weisen die beiden Scheiben identische Ausnehmungen auf,
welche in der Ruhelage der beiden Scheiben miteinander kongruent sind.
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Die Weiterbildung der Erfindung weist den besonderen Vorteil auf,
daß sowohl die Geschwindigkeit als auch die relative Winkelverdrehung der beiden
Scheiben zueinander mit einer einzigen optischen Abtasteinrichtung gemessen werden
kann, welche lediglich einen einzigen optischen Abtaststrahl verwendet, wie im folgenden
kurz dargelegt wird.
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Solange das Ergometer mit geringer Kraft betrieben wird, werden die
Scheiben sich nur langsam drehen, wobei die identischen Ausnehmungen der beiden
Scheiben jeweils fluchtend miteinander ausgerichtet sind. Bei der Messung der Geschwindigkeit
wird der kontinuierliche Abtaststrahl in eine Impulsfolge zerlegt, deren Impuls-Pause-Verhältnis
durch die Geometrie der einzelnen Ausnehmungen einer Scheibe - die Ausnehmungen
beider
Scheiben sind vorzugsweise identisch - und durch die Breite
des Abtaststrahls und des optischen Empfängers bestimmt wird. Dies gilt auch für
den Betrieb des Ergometers mit einer höheren Geschwindigkeit, wenn der Benutzer
nur eine kleine Leistung abgibt und die Scheiben relativ zueinander nicht aus ihrer
Winkelstellung verdreht werden.
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Wenn jedoch der Benutzer seine Leistung plötzlich erhöht, wird die
direkt mit der Achse der Tretkurbeln drehfest verbundene Scheibe gegenüber der anderen
Scheibe in Vorwärtsrichtung um einen Winkel verdreht werden. Der gemeinsame Durchschnitt
zweier zuvor fluchtenden Ausnehmungen wird dadurch verkürzt, da der in Bahnrichtung
freie Abschnitt jetzt durch die vordere.
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Kante der zurückbleibenden Scheibe und durch die -vorgerückte - hintere
Kante der Ausnehmung der vorgerückten Scheibe begrenzt. Damit werden der auf der
gegenüberliegenden Seite ankommende Impuls verkürzt und die nächstfolgende Pause
verlängert.
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Die Ausnehmungen selber können als Schlitze am Randbereich der Scheiben
ausgebildet sein.
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Die beiden Scheiben können über Blattfedern, über Schraubenfedern
und/oder über andere verformbare Mittel, welche bei einer Relativverdrehung der
Scheiben eine Rückstellkraft entwickeln, miteinander gekoppelt sein.
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Die bei der optischen Abtastung erzeugten Impulse beginnen nicht schlagartig,
sondern mit einer von Null auf den Maximalwert ansteigenden Flanke. Die Steilheit
dieser
Flanke hängt ab von der Breite des optischen Abtaststrahls und von der Breite der
Empfängerfläche des optischen Empfängers. Je breiter der optische Abtaststrahl ist,
umso'weiter muß die angestrahlte Scheibe sich drehen, damit die voreilende Kante
einer Ausnehmung die gesamte Breite des Abtaststrahles durchquert. Während dieser
Zeit wächst die beim Empfänger ankommende Strahlungsintensität bis zu einem Maximalwert.
Wenn die Ausnehmung der abgetasteten Scheiben in jedem Falle, auch bei starker relativer
Winkelverdrehung zueinander, breiter als der Abtaststrahl ist, wird an dem Empfänger
während der gesamten Zeit, in welcher kein Bereich des Strahls abgeschattet ist,
Licht mit einer konstanten Intensität ankommen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Einrichtung zur Festlegung
des Impulsbeginns und des Impulsendes jeweils in einer bestimmten Höhe über dem
Nullpegel auf der vorderen und auf der hinteren Flanke vorgesehen. Als ein solcher
Schwellwert wird vorzugsweise der mittlere Bereich der Flanken ausgewählt erden.
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Die Dauer des Impulses hängt, wie beschrieben, von der Geometrie der
Begrenzung der Ausnehmung, von der Geometrie der Abtasteinrichtung und von der Umdrehungsgeschwindigkeit
der abgetasteten Scheiben ab. Das Impuls-Pause-Verhältnis der Impulsfolge hängt,
solange die beiden Scheiben ihre relative Winkelanordnung zueinander beibehalten,
nur von der Geometrie der Ausnehmungen und der Abtasteinrichtung ab, nicht jedoch
von der Umlaufgeschwindigkeit der Scheiben. Veränderlich ist jedoch die maximale
Höhe der Impulse. Diese Impulshöhen
werden z.B. durch die Temperatur
in der Vorrichtung bestimmt. Wenn man berücksichtigt, daß in Ergometern Leistungen
bis zu 400 Watt in Wärme umgesetzt werden, ist es nicht verwunderlich daß die Temperatur
in dem Ergometer von 25 OC auf 50 OC ansteigen kann. Bei derartigen Steigerungen
der Temperatur muß damit gerechnet werden, daß die Änderung der Impulshöhen 10 %
oder mehr betragen kann.
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Bei einem Anstieg der Impulshöhen ändert sich das Verhältnis der Dauer
des unbehinderten Lichtdurchgange zur Pause, während welcher kein Licht hindurchgelassen
wird, nicht. Es ändert sich dagegen jedoch die Steigung der vorderen und der hinteren
Flanke der Impulse.
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Werden nun Beginn und Ende eines jeden Impulses be Erreichen eines
bestimmten Wertes über Null festgelegt, so wird dieser Wert auf einer steileren
Flanke eher erreicht als auf einer flachen Flanke. Umgekehrt fällt der Impuls bei
steilerer Impulsflanke erst später auf diesen Grenzwert ab. Bei Erhöhung der Impulshöhe
wird somit für den Impuls eine längere Zeit festgestellt als zuvor. Die Änderung
der Impulshöhe hätte somit eine Verfälschung des Wertes des Impuls-Pause-Verhältnisses
zur Folge.
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Eine Korrektur derartiger Störeinflüsse kann z.B. dadurch erzielt
werden, daß als Grenzwert jeweils ein bestimmtes Verhältnis des maximalen Impulswertes
über Null genommen wird. Dies bedeutet, daß bei jedem Impuls erneut berechnet werden
muß, wann dieser bestimmte Anteil z.B. der halbe Maximalwert, erreicht wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist
zur Eliminierung von Störeinflüssen, z.B. durch Temperaturerhöhung, eine Elektronik
zur Normierung der Impulshöhe vorgesehen. Diese Weiterbildung der Erfindung bringt
den Vorteil mit sich, daß wegen der Umformung der Impulse auf gleiche Impulshöhe
auch die Form der vorderen und der hinteren Flanken der verschiedenen Impulse jeweils
gleich sind, so daß eine genaue Bestimmung des Impuls-Pause-Verhältnisses für jeden
Bereich dieser Impulsfolge möglich wird.
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Schutz wird auch beansprucht ganz allgemein für eine Schaltungsanordnung
zur Regelung der Höhe von Impulsen einer Impulsfolge.
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Eine solche zu schützende Schaltungsanordnung ist gekennzeichnet durch
einen digitalen Abschwächer, dem ein erster Komparator nachgeschaltet ist, der Rechteckimpulse
erzeugt, durch einen Maximalwertspeicher, dem ein zweiter Komparator nachgeschaltet
ist, welcher entscheidet, ob der maximale Impulshöhenwert oberhalb oder unterhalb
des gewünschten Normierungswertes liegt, und durch eine Rückkoppelungseinrichtung,
welche bei jedem Impuls den Abschwächer, entsprechend dem Entscheidungswert der
zweiten Komparatorstufe, um einen Stufenwert erhöht bzw. erniedrigt.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfaßt die Rückkoppelungseinrichtung
eine Steuerlogik, die bei jedem Rechteckimpuls, der von dem ersten Komparator erzeugt
wurde, einen Binärzähler steuert, welcher in Abhängigkeit von dem Entscheidungswert
des zweiten Generators den Abschwächer erhöht bzw. erniedrigt.
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Diese Schaltungsanordnung bewirkt, daß die Höhe der den Abschwächer
verlassenden Impulse sich schrittweise dem Normierungswert nähert, diesen über-
bzw. unterschreitet und dann um diesen Wert pendelt.
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Bei der Anwendung dieser Schaltungsanordnung in einem Ergometer mit
abzutastenden Umlaufscheiben, welche Ausnehmungen aufweisen, können, wie oben dargelegt
wurde, sehr viele Ausnehmungen auf einer Kreisbahn vorgesehen sein. Die beschriebene
Schaltungsanordnung wird deshalb auch dann, wenn die Höhe der Ausgangsimpulse des
Abschwächers stark vom Normierungswert abweicht, bereits innerhalb eines Bruchteils
einer vollständigen Umdrehung der Scheiben auf den Normierungswert eingeregelt sein.
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Der Binärzähler ist zweckmäßigerweise ein Vorwärts-Rückwärts-Zähler.
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Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren, wie es in den Ansprüchen
beschrieben ist.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele
und in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben; im einzelnen zeigen: Fig.
1 eine Seitenansicht eines Ergometers, Fig. 2 eine schematische Darstellung des
Aufbaus einer Drehmoment-Meßeinrichtung in einem Ergometer,
Fig.
3a eine Ansicht'von zwei parallel zueinander angeordneten rotierbaren Meßscheiben,
aus einer Richtung quer zu den Achsen der Scheiben, Fig. 3b eine Frontansicht einer
der beiden Scheiben der Figur 3a, Fig. 4 zwei parallel zueinander angeordnete Meßscheiben
und die Anordnung einer optischen Abtasteinrichtung, welche die Geschwindigkeiten
der einzelnen Scheiben mißt, Fig. 5 eine schematische Darstellung von Magnetfeldanordnungen
auf einer Scheibe, Fig. 6 eine Drehmoment-Meßeinrichtung mit 3 Scheiben und mit
zwei Abtaseinrichtungen, Fig. 7 eine andere Ausführungsform mit Abtastung im Durchstrahlprinzip,
Fig. 8 eine Anordnung zur Messung der Drehgeschwindigkeit einer Scheibe mit Stirnabtastung,
Fig. 9 Prinzipdarstellungen der Änderung des gemeinsamen Durchschnitts der Öffnungen
zweier Meßscheiben, Fig, 10 mögliche Anordnungen verschiedener Federelemente,
Fig.
11 die Anordnung der Figur 10 in Achsrichtung gesehen, Fig. 12 eine Darstellung
der Änderung des Impulses durch Störeinflüsse, wie durch sich ändernde Umgebungstemperatur,
Fig. 13 eine Schaltungsanordnung zur Verhinderung von Meßfehlern die üblicherweise
durch Umgebungseinflüsse und Alterung der Bauteile eintreten, und Fig. 14 eine Schaltungsanordnung
zur Berechnung des Impuls-Pause-Verhältnisses.
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In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Ergometers 10 zu sehen, welches
einen Sitz 12, Griffe 14 und and Kurbeln 18 befestigte Tretpedale aufweist.
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Die Figur 2, welche einen Querschnitt durch das Tretlager des Ergometers
der Figur 1 darstellt, zeigt, daß die Tretkurbeln 18 drehfest mit einer gemeinsamen
Welle 20 verbunden sind. Über die Tretkurbeln 18 wird im Betrieb ein Drehmoment
auf die Welle 20 ausgeübt. Auf der Welle 20 sitzt formschlüssig eine Nabe 22, in
welche Federelemente 24 formschlüssig eingreifen. Mit diesen Federelementen 24 ist
formschlüssig ein Zahnkranz 26 verbunden, welcher das auf die Welle 20 aufgebrachte
Drehnoment über ein Getriebe zur Bremse abgibt.
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Mit dem Zahnkranz 26 ist drehfest eine Scheibe 28 verbunden, welche
konzentrische zu der Welle 20 angeordnet ist. Diese Scheibe 28 weist an ihrem äußeren
Umfang
Ausnehmungen 29 auf, deren Funktion weiter unten beschrieben werden wird. Gegenüber
der Scheibe 28 ist koaxial eine weitere Scheibe 30 angeordnet, welche an ihrem Umfangsbereich
ebenfalls Ausnehmungen 31 aufweist. Diese sind identisch ausgebildet und in gleicher
Weise auf der Scheibe 30 angeordnet, wie die Ausnehmungen 29 auf der Scheibe 28.
Die Scheibe 30 ist ihrerseits drehfest mit der Welle 20 verbunden.
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Wird bei Benutzung des Ergometers über die Tretkurbeln ein Drehmoment
auf die Welle 20 aufgebracht, so wird dieses über die Nabe 22 auf die Federn 24
übertragen.
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Diese wirken auf den Radkranz 26. Da dieser und die Scheibe 28 vom
Getriebe bzw. der Bremse quasi festgehalten werden, werden die Federelemente 24
ausgelenkt werden. Die Scheibe 28 wird deshalb bei Beginn der Benutzung des Ergometers
kurzfristig in ihrer Ruhelage beharren, während die Scheibe 30 mit beginnender Bewegung
der Tretkurbeln ebenfalls in Bewegung versetzt wird, da sie drehfest mit der Welle
20 verbunden ist.
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Die beiden Scheiben 28 und 30 werden deshalb gegenüber ihrer vorherigen
Relativstellung zueinander verdreht werden. Je stärker die Änderung des Drehmoments
auf die Tretkurbeln ist, desto größer wird die relative Verdrehung der beiden Scheiben
28 und 30 relativ zueinander sein. Die Scheibe 28 eilt deshalb der Scheibe 30 um
den Betrag der Federauslenkung nach. Mit Hilfe einer Abtasteinrichtung 36, welche
unten beschrieben wird, wird diese Änderung der relativen Winkelstellung der beiden
Scheiben 28 und 30 erfaßt.
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Diese Abtasteinrichtung 36 ist in Figur 3a schematisch dargestellt.
Er umfaßt im wesentlichen einen Sender 38, einen Empfänger 40 und eine Auswerteeinrichtung
42. Der Sender 38 ist außerhalb der Scheibe 30 und der
Empfänger
40 ist außerhalb der Scheibe 28' gegenüber dieser angeordnet. Die Scheibe 28 ist
über die Federelemente 24 elastisch mit der Achse 20 verbunden. Der Sender sendet
Licht in Richtung auf den Empfänger aus.
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Zwischen Sender und Empfänger befindet sich der Randbereich sowohl
der Scheibe 28 als auch der Scheibe 30, in denen Ausnehnungen 29 bzw. 31 ausgebildet
sind.
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Die Anordnung und die Form der Ausnehmungen sind in Figur 3b dargestellt,
welche eine Draufsicht auf die Scheibe 30 von der in Figur 3a linken Seite zeigt.
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Diese Ausnehmungen 31 sind etwa rechteckförmig ausgebildet , jeweils
am äußeren Umfang der Scheibe 30 beginnend, so daß die Scheibe 30 eine stufenartige
Umfangskontur aufweist. Die Ausnehmungen 29 der Scheibe 28 sind identisch geformt
und auch in einem identischen Muster angeordnet. Die Breite der Ausnehmungen 29
und 30 ist größer als die Breite des von dem Sender 38 ausgesendeten Lichtstrahls.
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Wenn die Scheiben 28 und 30 so angeordnet sind, daß die Ausnehmungen
29 und 31 miteiander fluchten, wird das von dem Sender 38 ausgesendete Licht bei
Rotation der Scheiben zerhackt. Der Empfänger 40 empfängt abwechselnd Licht und
dann wieder kein Licht. Er empfängt somit Lichtimpulse, deren Frequenz ein Maß für
die Rotationsgeschwindigkeit der beiden Scheiben ist.
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Wenn beide Scheiben mit gleicher Geschwindigkeit rotieren, werden
das Impuls-Pause-Verhältnis und auch die Flankenform der Impuls von der Breite oder
dem Durchmesser des Lichtstrahls und von der Form der Ausnehmungen 29 und 31 bestimmt.
Das Impuls-Pause-Verhältnis
ist dabei unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit
der beiden Scheiben.
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Werden jedoch die beiden Scheiben 28 und 30 relativ zueinander verdreht,
so verkleinert sich der gemeinsame freie Durchschnitt der Ausnehmungen 29 und 31
der beiden Scheiben 28 und 30. Dadurch werden die beim Empfänger 40 ankommenden
Impulse verkürzt und die Pausen verlängert; das Impuls-Pause-Verhältnis ändert sich.
Die Änderung dieses Impuls-Pause- Verhältnisses ist ein Maß für die Verdrehung der
beiden Scheiben 28 und 30 relativ zueinander und damit ein Maß für das auf die Kurbeln
18 aufgebrachte Drehmoment.
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Die Bestimmung des Impuls-Pause-Verhältnisses erfolgt im der Auswerteeinrichtung
42.
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Die Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
die Geschwindigkeit der beiden Scheiben 28 und 30 jeweils einzeln erfaßt und aus
der Ceschwindigkeitsdifferenz die Relatlvverdretlllrl oder Phasenversetzung der
beiden Scheiben zueinander von der Auswerteeinrichtung 54 bestimmt wird.
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Außerhalb der rechten Scheibe 28 ist in Höhe des Bereichs der Ausnehmungen
29 ein optischer Sender 50 angeordnet, und zwischen den beiden Scheiben ist ein
Empfänger 51 gegenüber dem Sender 50 angeordnet. Das von dem Sender 50 ausgesendete
Licht wird zerhackt und der Empfänger empfängt Lichtimpulse. Aus dem Impuls-Pause-Verhältnis
dieser Impulsfolge ermittelt die Auswerteeinrichtung 54 die Geschwindigkeit der
Scheibe 28.
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Außerhalb der linken Scheibe 30 ist ein weitere optischer Sender 52
angeordnet, dem ein zwischen den beiden Scheiben 28 und 30 befindlicher Empfänger
53 zugeordnet ist. Diese Anordnung dient zur Ermittlung der Rotationsgeschwindigket
der linken Scheibe 30.
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Die Figur 5 zeigt ein Scheibe 56 mit kreisförmigen Umfang. Auf dieser
Scheibe sind auf einer Kreisbahn Magnete 58 angeordnet, welche in einer oder mehreren
statisch angeordneten Feldspulen Induktionsstöße erzeugen, die wiederum die Ermittlung
der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 56 ermöglichen.
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Es wird darauf hingewiesen, daß bei Verwendung von Scheiben mit Ausnehmungen
diese Ausnehmungen nicht die Form der Ausnehmungen 29 und 31 der Scheiben 28 und
30 haben müssen, sondern auch eine andere Form aufweisen und anders angeordnet sein
können. Sie können zum Beispiel auf einer Scheibe mit kreisförmigen, ununterbrochenen
Umfang so angeordnet sein, wie die Magnete 58 auf der Scheibe 56 der Figur 5.
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Die Figur 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
außer den beiden Scheiben 28 und 30 der Figur 2 noch eine weitere Scheibe 66 vorgesehen
ist und ebenfals identische Ausnehmungen 67 aufweist. Die Scheiben 28, 30 und 66
sind starr mit den Teilen 20a, 20b und 20c der nunmehr geteilten Welle verbunden.
Die Scheibe 28 ist über ein Federelement 24 mit der Teilwelle 20c, und über ein
zweites Federelement 25 mit der Teilwelle 20b verbunden. Die Sender 60, 62, die
Empfänger 61, 63 und die Auswerteeinrichtungen 64, 65 arbeiten in der oben beschriebenen
Weise.
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Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, sowohl die Phasenversetzung
der linken Scheibe 30 als auch die Phasenversetzung der rechten Scheibe 66 gegenüber
der mittleren Scheibe 28 zu messen. Es ist sornit auch möglich, das von jedem Bein
ausgeübte Drehmoment einzeln zu messen. Ferner ist es auch möglich, die Phasenversetzung
der linken Scheibe 30 gegenüber der rechten Scheibe 66 zu messen. Dieser Wert ist
ein Maß für das Drehmoment, das aus der Differenz vom antreibenden und nicht antreibenden
Bein resultiert.
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In Figur 7 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung mit Messung
der Phasenversetzung zweier Scheiben 68 und 69 im Durchstrahlprinzip dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform sind Kreisförmige Ausnehmungen 70 bzw. 71 in den Scheiben
68 bzw. 70 ausgebildet. Diese Abtasteinrichtung arbeitet wieder in der bekannten
Weise.
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Die Figur 8 zeigt eine andere Abtasteinrichtung, welche mit Stirnabtastung
arbeitet. Auf dem Umfang einer Scheibe 74 sind abwechselnd dunkle Bereiche 76 und
helle Bereiche 77 vorgesehen. Ein optischer Sender 80 ist so auf eine Stelle des
Umfangs der Scheibe 74 gerichtet, daß sein Licht, wenn es von einer hellen Stelle
77 reflektiert wird, auf einen Empfänger 81 fällt. Wenn das vom optischen Sender
80 ausgesendete Licht auf eine dunkle Stelle fällt, wird es absorbiert, so daß der
Empfänger 81 kein Licht empfängt. Im Betrieb wird somit wiederum eine Impulsfolge
erzeugt, deren Impulse von dem Empfänger 81 empfangen und von der nur symbolisch
dargestellten Auswerteeinrichtung 82 ausgewertet wird.
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Die Figur 9 zeigt - der besseren Übersicht wegen in
horizontaler
Richtung dargestellt - eine Sicht auf die Scheibe 30 und teilweise auf die Scheibe
28 aus der Richtung des Senders 38 der Figur 3a. Die obere Darstellung zeigt die
Anordenung der beiden Scheiben in unbelastetem Zustand, wenn also kein Drehmoment
auf die Tretkurbeln aufgebracht wird. In diesem Fall sind die beiden Scheiben kongruent.
Die Ausnehmungen 31 der Scheibe 30 sind fluchtend mit den Ausnehmungen 29 der Scheibe
28 ausgerichtet, deren verdeckte Kante gestrichelt gezeichnet ist.
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Die untere Kurve der Figur 9 zeigt den belasteten Zustand, in dem
die Scheiben und damit die Ausnehmungen 31 und 29 relativ zueiander versetzt sind.
In diesem Zustand ist der verbleibende freie gemeinsame Querschnitt der beiden Ausnehmungen
31 und 29 kleiner als im unbelasteten Zustand. Damit wird die Impulsdauer verkürzt
und das Impuls-Pause-Verhältnis verkleinert.
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Die Figur 10 zeigt verschiedene mögliche Zuordnungen der Federn zu
der Welle 20. Der obere teil der Figur 10 gleicht der Anordnung der Figur 2. Auf
der Welle 20 ist drehtfest eine Nabe 22 angeordnet. Diese wiederum ist drehfest
mit dem inneren Ende einer Blattfeder 24 verbunden, deren äußeres Ende an dem Drehkranz
26 befestigt ist, welcher seinerseits starr mit der Scheibe 28 verbunden ist.
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In der unteren Hälfte der Figur 10 ist die Verbindung der auf die
Welle 20 ausgeübten Kraft mit der Scheibe 28 über eine Zugfeder 84 dargestellt.
Diese Verbindung wird im Zusammenhang mit der Figur 11 beschrieben,
welche
eine Ansicht der in Figur 10 gezeigten Anordnung um 90 Grad gedreht zeigt.
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In der Nabe 22 sitzt ein starrer Stab 80, welcher an seinem äußeren
Ende einen abgewinkelten Abschnitt 82 aufweist. Um diesen ist ein Ende 85 einer
Zugfeder 84 gelegt, deren anderes Ende 86 um einen abgewinkelten Abschnitt 89 eines
Stabes 88 greift, welcher starr mit der Scheibe 28 verbunden ist. Die Auslenkung
der Federn 24 und 84 ist proportional zu der Kraft, mit welcher die Bremse die Rotation
der Scheibe 28 gegenüber derjenigen der Scheibe 30 verlangsamt.
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Es wird darauf hingewiesen, daß die beiden Federanordnungen nur beispielhaft
und in keiner Weise die Mannigfaltigkeit der verschiedenen möglichen Federverbindungen
zu verstehen ist.
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Bei Ergometer können Leistungen bis zu etwa 400 Watt verbraucht werden.
Diese führen zu einer Erwärmung der Umgebung der Bremse und der gesamten Anordnung.
Diese Temperaturerhöhung kann sich ganz erheblich auf die Meßergebnisse auswirken.
Sie kann zum Beispiel bewirken, daß die Impulshöhe der vom Empfänger gemessenen
Impulse erheblich ansteigt, wie es in Figur 12 dargestellt ist, in welcher die untere
Kurve 82 die Form eines Impulses zu Beginn des Betriebs des Ergometers und die obere
Kurve 92 die Form eines Impulses nach Erwärmung des Ergometers zeigen. Der Beginn
des Zeitraumes, in welchem Licht durch den gemeinsamen Querschnitt der Öffnungen
beider Scheiben hindurchtritt, ist auf der Zeitachse t durch 84 markiert. Das Ende
der beiden ansteigenden Flanke 86 bzw. 88 ist jeweils
dann erreicht,
wenn das Licht des Sender in voller Breite unbehindert durch den gemeinsamen Querschnitt
der Ausnehmungen der Scheiben hindurchtritt, also zum Zeitpunkt 90. Die Flanke 88
der Kurve 92 hat somit eine größere Steigung als die Flanke 86 der Kurve 80.
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Wird nun bei der Messung der Impulsfolge die Entscheidung zwischen
Impuls und Pause jeweils durch Über-oder durch Unterschreiten einer bestimmten Spannung
definiert, z. B. der Spannung 92 in Figur 2, so werden für die beiden Kurven verschiedene
Werte ermittelt, welche sich um 2 maibt voneinander unterscheiden.
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Weitere Meßfehler können auch durch andere Umwelteinflüsse und auch
durch Alterung der Einrichtung verursacht werden, wenn dadurch die Höhe der Impulse
verändert wird. Um derartige Meßfehler auszuschließen ist eine in Figur 12 dargestellte
Einrichtung vorgesehen, welche die Höhe der Impulse auf einen festen Wert regelt.
Damit werden auch die Flanken der Impulse auf eine Form geregelt, welche nur von
der Geometrie der Ausnehmungen der Scheiben, der Sender und der Emfänger und von
der Rotationsgeschwindigkeit der Scheiben abhängt, nicht aber von Umwelteinflüssen
wie Temperaturänderungen oder von Alterungserscheinungen.
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Eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Höhe der Impulse und damit
zur Regelung der Flankenform der Impulse ist in Figur 13 dargestellt. An der linken
Seite der Figur sieht man einen Impuls 110 eines Impulszuges, welcher auf die Eingangsleitung
E gegeben wird, die ihn zu einem Bereichsumschalter 112 leitet, welchem ein digitaler
Abschwächer 114 nachgeschaltet ist, dessen Ausgang zum einen mit einem Eingang eines
ersten
Komparators 116 und zum anderen mit einem Maximalwertspeicher 118 verbunden ist.
Der Ausgang dieses Maximalwertspeichers 118 ist mit einem Eingang eines zweiten
Komparators 120 verbunden. Der zweite Eingang des ersten Komparators 116 und auch
der zweite Eingang des zweiten Komparators 120 sind -mit einer Referenzspannungsquelle
122 verbunden. Der Ausgang des zweiten Komparators 120 ist mit einem Binärzähler
verbunden, der auf den Abschwächer 114 einwirkt.
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Ferner ist eine Steuerlogik 130 vorgesehen, die über Leitungen 126
und 128 in beiden Richtungen mit dem Binärzähler 124 und die über eine Leitung 131
mit dem Bereichsuinschalter 112 verbunden ist. Die Steuerlogik weist eine Alarmleitung
134 auf, welche ein Alarmsignal zu einem vorzugsweise vorgesehenen Fitness-Cornputer
(nicht dargestellt) leiten kann. Schließlich ist die Steuerlogik 130 auch mit einem
Oszillator 132 verbunden, der auch mit dem Ausgang des ersten Komparators 116 verbunden
ist. Dieser Ausgang liefert über eine Leitung 136 Rechteckimpulse 138 an eine Auswerteinheit,
die direkt im Ergometer oder aber auch in einem ansteckbaren Fitness-Computer vorgesehen
sein kann, und die in Figur 14 dargestellt ist.
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Die Schaltungsanordnung der Figur 13 arbeitet wie folgt: Auf der Eingangleitung
E kommen Impulszüge an, deren Impulse etwa trapezförmig sind, wie der angedeutet
Impuls 110 Diese Impulse laufen durch den Bereichsumschalter 112 zu dem digitalen
Abschwächer 114, von dort zu dem Maximalwertspeicher 118 und zu dem zweiten
Komparator
120. Dieser vergleicht die Höhe des ankommenden Impulses mit dem zweifachen Wert
einer Referenzspannung, welche er von der Spannungsquelle 122 erhält. Je nachdem,
ob die Impulshöhe größer oder kleiner als der zweifache Wert der Referenzspannung
ist, wird der Binärzähler 124 angesteuert, mit der Folge, daß der nächste durch
den digitalen Abschswächer laufende Impuls abgeschwächt oder verstärkt wird. Auf
diese Weise wird die Höhe der ankommenden Impulse geregelt, so daß bereits nach
wenigen Impulsen alle folgenden, den digitalen Abschwächer 114 durchlaufenden Impulse
die gleiche Impulshöhe haben.
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Es wird daraufhingewiesen, daß die Steuerlogik 130 auch mit dem Maximalwertspeicher
verbunden ist, so daß sie in die gesamte Regelschaltung steuern kann.
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Die in ihrer Impulshöhe geregelten Ausgangsimpulse des digitalen Abschwächers
werden dem ersten Komparator 116 zugeführt. Dieser vergleicht die ankommenden Im
pulszüge mit der sehr konstanten Referenzspannung, welche er von der Konstantspannungsquelle
122 erhält.
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Wenn die Spannung des Impulszuges diese Referenzspannung überschreitet,
erscheint am Ausgang dieses zweiten Komparators ein Signal "1", und wenn die Spannung
des ankommenden Impulszuges unter den Wert der Referenzspannung fällt, erscheint
am Ausgang dieses zweiten Komparators 116 das Signal "O". Am Ausgang dieses zweiten
Komparators 116 erscheinen somit Rechteckimpulse 138, welche alle gleiche Impulshöhe
haben. Das Impuls-Pause-Verhältnis dieser Rechteckimpulse ist gleich demjenigen
des am Eingang E angekomrnenen Impulszuges.
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Sollte die Höhe der Impulse 110 sich während der Betätigung des Ergometers,
zum Beispiel wegen der auftretenden Temperaturerhöhung, oder aber nach längerer
Zeit, weil die Bauteile der Abtasteinrichtung altern und deshalb zum Beispiel die
optischen Sender mit schwächerer Intensität senden, ändern, so hat das keinen Einfluß
auf die Messung, da die Impulshöhe in der Schaltungsanordnung der Figur 13 auf den
zweifachen Wert der sehr konstanten Referenzspannung geregelt wird.
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Eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der rechteckförmigen Impuszüge
138 ist in Figur 14 dargestellt.
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Die Impuslzüge 138 werden einer Steuerlogik 150 zugeführt, welche
die "1"-Signale zu einer UND-Schaltung 152 und die "O"-Signale zu einer invertierten
UND-Schaltung 154 durchschaltet. Die zweiten Eingänge dieser Torschaltungen 152
und 154 sind mit einem Oszillator 156 verbunden, welcher eine Frequenz von 1 MHz
hat.
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So lange die UND-Schaltung 152 das "1"Signal erhält, steuert sie den
ihr nachgeschalteten ersten Zähler 158 an, welcher die durchgelassenen Impulse,
welche die Frequenz 1 MHz haben, zählt. Während der Zustände "O" der ankommenden
Impulszüge 138 steuert die invertierte UND-Schaltung 154 einen ihr nachgeschalteten
Zähler 160 an.
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Beide Zähler 158 und 160 sind mit einer Rechnereinheit 12 verbunden,
welche das Impuls-Pause-Verhältnis berechnet. Diese- Rechnereinheit ist über eine
Leitung mit der Steuerlogik 150 verbunden. Letztere ist außerdem
über
eine Leitung 168 mit dem ersten Zähler 158 und über eine Leitung 170 mit dem zweiten
Zähler 160 verbunden und kann diese zurückstellen.