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Einrichtung zur Ges chwindikeitsrnessung
Es sind bereits Tachometer
bekannt, bei welchen durch einen elektrischen Generator eine der Geschwindigkeit
proportionale Potentialdifferenz erzeugt und diese durch ein unmittelbar auf Geschwindigkeit
geeichtes Gerät übertragen wird.
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Eine Gattung dieser bekannten Einrichtungen arbeitet mit Gleichstrom,
eine andere mit Wechselstrom; die Anzeigegeräte sind im allgemeinen Voltmeter. Ausnahmsweise,
wenn es sich um die Überwachung einer Geschwindibkeitszone von schwachem Bereich
handelt, wurden an Stelle von Voltmetern Frequenzmesser venvendet. Indessen hat
sich diese Art von Tachometern nicht durchsetzen können; denn Frequenzmesser sind
zerbrechliche und empfindliche Apparate; außerdem ist ihr Meßbereich ein sehr beschränkter.
Schließlich sind diese mit Frequenzmessern arbeitenden Tachometer unverhältnismäßig
teuer.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Mängel zu beheben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird in an sich bekannter Weise mit einem Wechselstrom
gearbeitet, dessen Spannung und dessen Frequenz der zu messenden Geschwindigkeit
proportional sind; die erzeugte elektrische Energie wird auf zwei Ladestromkreise
abgegeben, derart, daß die diese Kreise durchfließenden Ströme in verschiedener
funktioneller Abhängigkeit von der Geschwindigkeit stehen; diese Ströme werden dann
verglichen, um so ein Maß für die Abweichung der Geschwindigkeit von einem betrachteten
Wert zu
erhalten. Dieses Verfahren gestattet mit höhererFGenauigkeit
die Geschwindigkeitsunterschiede gegenüber einem mittleren Wert zu messen, ohne
daß die Verwendung eines Frequenzmessers erforderlich ist. Nach der Erfindung erfolgt
die Messung der Differenzen der die beiden Kreise durchfließenden Ströme durch ein
Differentialmeßgerät mit Rückholkraft derart, daß das Gerät auf Abweichungen von
der Sollgeschwindigkeit in Abhängigkeit einerseits von Abweichungen gegenüber der
dieser Geschwindigkeit proportionalen Frequenz, andererseits von Abweichungen gegenüber
der dieser Geschwindigkeit proportionalen Spannung anspricht.
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Bei einer Ausführungsform werden die Kreise für den Strom, dessen
Spannungen und dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeit sind, so ausgeführt,
daß die Gesetzmäßigkeit der Änderung des Stroms ungefähr eine quadratische Funktion,
eine lineare Funktion der Geschwindigkeit oder eine von der Geschwindigkeit unabhängige
Funktion ist, wobei nach der Erfindung die Ladestromkreise ein Kondensator, ein
Ohmscher Widerstand oder eine Selbstinduktion sind.
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Als besonders zweckmäßig hat sich ein Tachometer erwiesen, bei welchem
durch einen Wechselstromerzeuger in Parallelschaltung ein den Strom als quadratische
Funktion der Geschwindigkeit des Wechselstromerzeugers liefernder Kondensator und
eine den Strom in einem gewissen Bereich unabhängig von dieser Geschwindigkeit liefernde
Induktion versorgt werden; dies in Verbindung mit einer Einrichtung zum Vergleich
des Unterschieds dieser beiden Ströme.
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Die Figuren erläutern das erfindungsgemäße Gerät.
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Fig. 1 erläutert den allgemeinen Verfahrensgedanken; Fig. 2 zeigt
ein Diagramm über den Verlauf der Ströme im Kondensator, im Widerstand und in der
Induktion der Anordnung nach Fig. I in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des
Wechselstromerzeugers; Fig. 3 zeigt ein Diagramm über den Verlauf des Stroms im
Kondensator und der Ströme in Induktionen verschiedener Werte in Abhängigkeit von
der Geschwindigkeit des Wechselstromerzeugers; Fig. 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Tachometers; Fig. 5, 6 und 7 zeigen ebenfalls schematisch
weitere Ausführungsformen.
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Man bedient sich einer Anordnung, die auf einmal Anzeigen in Abhängigkeit
von der Spannung des Stromerzeugers und der Frequenz der durch diesen Stromerzeuger
gelieferten Ströme macht.
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Man vergleicht die durch den Generator II erzeugten Wechsel ströme,
deren Änderungen verschiedenen Gesetzen als Funktionen der Geschwindigkeit folgen,
wobei der erste Stromkreis aus einem Kondensator I2 der Kapazität C, der zweite
Stromkreis aus einem Widerstand I3 des Wertes R und der dritte Stromkreis aus einer
Selbstinduktion 14 des Wertes L besteht. Die durch den Generator gelieferte Spannung
U ist proportional der zu messenden Geschwindigkeit V; die Frequenz co ist ebenfalls
proportional der Geschwindigkeit, so daß und U=K1V und = K2 V.
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Da die Spannung U in allen drei Stromkreisen herrscht, ergibt sich
für den Strom Ic im Kondensator Ic = UC#.
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Ersetzt man U und co durch Ausdrücke, die Funktionen von V sind,
so ergibt sich IC = KIK2C V2 Der Strom im Kondensator ist somit proportional dem
Ouadrat der Geschwindigkeit.
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Unter den gleichen Bedingungen ergibt sich für den Strom in dem Ohmschen
Widerstand 13 U U K, = = R = Der Wert 1R ist somit proportional der Geschwindigkeit.
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Sinngemäß ergibt sich für den Strom in der Selbstinduktion U g1 =
V K1.V K1 1 D K2.VL K2 L Der Wert IL ist also unabhängig von der Geschwindigkeit,
allerdings unter der Bedingung, daß er ausreichend ist, damit die Reaktanz der Selbst
induktion groß ist gegenüber dem eigenen Widerstand.
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Fig. 2 zeigt Stromkurven in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
Die Kurve 22 des Stroms in dem Kondensator 12 ist parabolisch ( = K Ir', C V2).
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Die Kurve 23 in dem Widerstand 13 ist linear
Die Kurve 24 des Stroms in der Selbstinduktion 14 ist im Prinzip eine Parallele
zur Geschvçindiglieitsachse (Abszisse), da der diese . Selbstinduktion durchfließende
Strom unabhängig von der Geschwindigkeit des Wechselstromerzeugers ist. Indessen
ist bei schwachen Geschwindigkeiten der Widerstand der Selbstinduktion überwiegend,
so daß der Strom zunächst in Abhängigkeit (proportional) von der Geschwindigkeit
verläuft. Erst für hohe Geschwindiglceiten überwiegt die Reaktanz der Selbstinduktion
den Ohmschen Widerstand; die Kurve nimmt dann einen konstanten Stromwert an. Aus
dem Verlauf der Kurven ergibt sich, daß sich diese paarweise in Punkten 25, 26 und
27 schneiden. Das erfindungsgemäße Gerät beruht im wesentlichen darauf, zwischen
zweien der drei Ströme in einer den Schnittpunkten der Kurven 22, 23 und 24 benachbarten
Zone zu vergleichen, beispielsweise den Strom in dem Kondensator 12 und den Strom
in der Selbstinduktion 14.
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Der Vergleich der Ströme an den Schnittpunkten dieser beiden Kurven
gestattet, die Geschwindigkeitsänderung des Wechselstromerzeugers in der Nähe der
den Schnittpunkten entsprechenden
Geschwindigkeit zu berechnen und
somit eine Geschwindigkeitszone in einem kleinen Bereich mit großer Genauigkeit
zu überwachen.
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Nimmt man an, daß mit der Differenz der Ströme Ic (Strom im Kondensator)
und IL (Strom in der Selbstinduktion) gearbeitet wird, so zeigt ein Blick auf das
Kurvenbild der Fig. 2, daß die Differenz f=JC-IL zuerst negativ ist, dann für die
dem Schnittpunkt 25 entsprechende Geschwindigkeit Null wird und schließlich, für
höhere Geschwindigkeit, pcsitiv wird. Wenn es sich darum handelt, kleine Geschwindigkeitsunterschiede
I I um den Punkt 25 herum zu messen, kann man Proportionalität zwischen 3 1; und
J 1 zulassen.
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Will man zwei oder mehr Geschwindigkeitsskalen beherrschen, so genügt
es, mehrere Schnittpunkte zugrunde zu legen, z. 13. die Schnittpunkte 36, 37 oder
3S, wie in Fig. 3 gezeigt. Dieses Bild gibt die charakteristische Kurve des Stroms
als Funktion der Geschwindigkeit wieder, wenn man den Strom im Kondensator (Kurve
32) mit den Strömen einer mehrere Abzweigungen aufweisenden Selbstinduktion (Kurven
33, 34 und 35) vergleicht.
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Es genügt hierbei, den Anzapfungspunkt der Selbstinduktion zu verändern,
um zu erreichen, daß sich die Anzeigewerte des Anzeigegerätes auf drei verschiedene
Geschwindigkeitsskalen beziehen. Ein entsprechendes Resultat erhält man, wenn eine
einzige Selbstinduktion und mehrere Kapazitätswerte des Kondensators verwendet werden
oder wenn sowohl ein Kondensator mit veränderlicher Kapazität als auch eine Spule
mit veränderlicher Selbstinduktion Verwendung finden.
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Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Tachometers nach
der Erfindung, wobei der Vergleich der Ströme im Kondensator und in der Selbstinduktion
dadurch stattfindet, daß man den Unterschied der beiden elektrischen NIomente als
Funktion der beiden Ströme mißt.
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Der Wechselstromerzeuger 1 1 ist mit dem Anzeigegerät 41 durch Leitungen
42 und 421 verbunden. Das Anzeigegerät besteht aus einem elektrodynamischen AIeßinstrument
mit oder ohne magenetischen Kreis. Dieses elektrodynamische Meßinstrument besitzt
eine Indulitionsspule 43 und ein um eine Achse 44 bewegliches System, das zwei Rahmen
45 und 46 und einen Zeiger 47 aufweist; letzterer bewegt sich vor einer Skala 48.
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Der Rahmen 46 ist in Reihe geschaltet mit der Selbstinduktionsspule
43, während der Rahmen 45 in Reihe mit dem Kondensator 49 liegt. Der den Rahmen
46 durchiließende Strom folgt somit einer Gesetzmäßigkeit, die sich als Funktion
der Geschwindigkeit gemäß der liurve 24 der Fig. 2 oder der Kurven 33, 34 und 35
der Fig. 3 auswirkt. Der von dem Wechsel stromerzeuger kommende Strom geht in Reihe
durch den Kondensator 49 und die Spule 45; es ist ein kapazitiver Strom, wenn man
die Induktanz der Spule 45 als klein im Verhältnis zur Kapazität des Kondensators
49 annimmt. Dieser Strom folgt einer Gesetzmäßigkeit, entsprechend dem durch die
Kurve 22 der Fig. 2 oder die Kurve 32 der Fig. 3 ausgedrücliten Verlauf. Die Stromzuleitung
zu den beiden Rahmen 45 und 46 erfolgt mit Hilfe von nicht gezeichneten Spiralfedern,
die ein entgegellwirkendes, mechanisches Nioment bestimmen.
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Die Ströme in den Rahmen 45 und 46 erzeugen Kraftlinienfelder, die
zusammen mit dem Kraftlinienfeld der Induktionsspule 43 zwei elektrodynamische WIomente
erzeugen.
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Wenn die Anschlüsse an die Rahmen mit geeigneten Polaritäten gemacht
sind. wird das resultierende elektrische 5moment gleich sein der algebraischen Differenz
der beiden Einzelmomente. so daß die Skala 48 auf Geschwindigkeit geeicht werden
kann. Gleichheit der Niomente findet statt für eine bestimmte Geschwindigkeit des
Wechselstromerzeugers; für diese Geschwindigkeit nimmt das bewegs ich System dieselbe
Gleichgewichtsstellung ein wie bei Stillstand des Geschwindigkeitserzeugers.
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Es ist möglich, die Unbestimmtheit aufzuheben, indem man die Spiralfedern
derart stützt, daß der mechanische Nullpunkt außerhalb der Skala liegt.
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Fig. 5 zeigt eine andere Ausführungsform eines Tachometers, bei welchem
der kapazitive und der induktive Strom, bevor sie mittels eines matgnetoelektrischen
Differentialgalvanometers verglichen werden, gleichgerichtet werden. Zu diesem Zweck
ist der Wechselstromerzeuger 1 1 durch Verbindungsleitungen 52 und 521 einerseits
mit dem Kondensator 53, andererseits mit der Selbstinduktionsspule 54 verbunden.
In Reihe mit dem Kondensator 53 und der Selbstinduktionsspule 54 befinden sich Gleichrichter
57 und 58 in Brückeschaltung. Der mittlere Ast jedes Gleichrichters ist beziehungsweise
verbunden mit dem Rahmen 55 und 56 eines Differentialgalvanometers 51.
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Fig. 6 zeigt ein Tachometer, bei welchem der Unterschied der gleichgerichteten
Ströme, die von dem Kondensator einerseits, von der Seibstinduktion andererseits
herrühren, vor der Beeinflussung des eigentlichen Meßelementes elektrisch gebildet
wird.
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Gemäß Fig. 6 versorgt der Wechselstromerzeuger II über Leitungen
62 und 621 zwei Nelbenschlußstromkreise. Der erste Stromkreis umfaßt den Kondensator
63 und einen Widerstand 64, der zweite Stromkreis die Selbstinduktion 65 und einen
Widerstand 66. Der bewegliche Rahmen 67 eines magnetoelektrischen Galvanometers
ist an die gemeinsame Rückleitung geschaltet. Ein Gleichrichter 68 zweigt außerhalb
des Rahmens einen Halbwechsel des kapazitiven Stroms ab, ein Gleichrichter 69 einen
Halbwechsel des induktiven Stroms.
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Der Sinn der Gleichrichter ist so, daß der Rahmen 67 in entgegengesetzter
Richtung durch die beiden anderen Halbwechsel der Ströme durchflossen wird, derart,
daß der resultierende Strom als mittleren Wert die Differenz des kapazitiven und
des induktiven Stroms besitzt.
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Dieses Resultat wird unabhängig von der relativen Phase zwischen den
beiden Strömen erreicht; die Anordnung arbeitet gemäß der Erfindung daher auch dann,
wenn man entweder den Kondensator oder die Sellistinduktion durch einen Widerstand
ersetzt.
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Die Ausführungsform der Fig. 6 kann kombiniert werden mit einer an
sich bekannten Tachometeranordnung, die mit einem magnetoelektrischen Voltmeter
und Gleichrichter arbeitet und deren Ausschläge unabhängig von der Frequenz sind.
In diesem Fall kann man das gleiche Galvanometer sowohl für die voltmetrische als
auch für die frequenzmetrische Anordnung verwenden, wie dies beispielsweise in Fig.
7 gezeigt ist. Nach dieser Figur ist eine Anordnung nach Fig. 6 kombiniert mit einer
voltmetrischen Anordnung, bestehend aus Widerständen 72 und 74 und Gleichrichtern
73 und 75. Die Änderung von einer Meßart auf die andere wird durch einen Schalter
71 bewerkstelligt, an welchen der Rahmen 67 des Galvanometers angeschlossen ist.
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Auf diese Weise kann das Anzeigegerät zweierlei Skalen besitzen,
beispielsweise eine, die sich von Null bis zu dem zu messenden Geschwindigkeitsmaximum
erstreckt und die der Verwendung der voltmetrischen Anordnung entspricht, während
die andere Skala in der Nähe einer bestimmten Geschwindigkeit stark vergrößert oder
erweitert ist und der erfindungsgemäßen Anordnung der Fig. 6 entspricht. Die Anderung
der Empfindlichkeit des Gerätes wird einfach durch Betätigung des Umschalters 7I
bewerkstelligt.