CH653137A5 - Verfahren und einrichtung zum ermitteln des jeweiligen von drei moeglichen verschiebungszustaenden. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ermitteln des jeweiligen von drei möglichen Verschiebungszuständen eines Messkopfes relativ zu einer Oberfläche entsprechend den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Stochastische Signale der genannten Art entstehen beispielsweise bei Korrelationsgeschwindigkeitsmessern, bei denen unregelmässige Eigenschaften einer Oberfläche durch zwei gegenüber dieser mit konstantem Abstand hintereinander bewegte Signalaufnehmer aufgenommen werden. Derartige Signalaufnehmer sind beispielsweise aus der schweizerischen Patentschrift 550 404 bekannt.

Ein Korrelationsgeschwindigkeitsmesser, wie er beispielsweise aus der schweizerischen Patentschrift 531 178 bekannt ist, ermittelt relativ träge aus den stochastischen Signalen die Geschwindigkeit der relativen Verschiebung zwischen der Oberfläche und den Signalaufnehmern. Demgegenüber besteht die Aufgabe der nachfolgend näher zu beschreibenden Einrichtung darin, sehr rasch Signale zu erhalten zur Anzeige der Zustände «Stillstand», «Verschiebung in der einen Richtung» und/oder «Verschiebung in der anderen Richtung». Die Einrichtung kann damit einen Korrelationsgeschwindigkeitsmesser ergänzen und als Fahrt/Stillstand/Richtungs-An-zeiger dienen.

Aus der schweizerischen Patentschrift 613 525 ist bereits eine Einrichtung entsprechender Art bekannt. Bei dieser wird die Ähnlichkeit der beiden zeitverschobenen, stochastischen Abtastsignale ausgenützt. Durch wiederholte kurze Vergleichsvorgänge und Integration der Vergleichsergebnisse ergibt sich dabei im Falle einer Bewegung relativ rasch eine Aussage über die jeweilige Fahrtrichtung. Nicht eindeutig bestimmbar mit der Einrichtung ist dagegen der Zustand «Stillstand» bzw. «keine Verschiebung».

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung der genannten Art anzugeben, die rasch und eindeutig zwischen den Zuständen «Fahrt»/Stillstand» und «Fahrt in der einen Richtung»/«Fahrt in der anderen Richtung» zu unterscheiden gestattet. Diese Aufgabe wird erfüllt durch ein Verfahren und eine Einrichtung, wie sie durch den kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche definiert ist. Ausgestaltungen der Einrichtung werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben, wobei insbesondere eine Ausführung unter Verwendung eines programmgesteuerten Prozessors vorteilhaft ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von vier Figuren beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Zeitdiagramm zweier gegeneinander zeitverschobener, annähernd gleicher stochastischer Signale

Fig. 2 erstes Verteilungs-Diagramm von Messwerten tIn für die aktuelle Verschiebungszeit Tr

Fig. 3 zweites Verteilungs-Diagramm von Messwerten tIIn

Fig. 4 Blockschaltbild einer Einrichtung zum Feststellen der NichtVerschiebung und/oder zur Bestimmung der Ver-

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schiebungsrichtung einer Oberfläche relativ zu zwei Signal- entsprechende Zahl der im entsprechenden Intervall S liegen-

aufnehmern. den zweiten Messwerte tIIn, woraus auf die Verschiebungs-

Fig. 1 zeigt in Diagramm A den zeitlichen Verlauf eines richtung geschlossen werden kann. Sind die Zahlen jedoch in ersten stochastischen Signals a(t). Dieses Signal a(t) bildet das beiden Intervallen annähernd gleich und klein, so liegt der zeitliche Abbild einer Oberfläche, die durch einen optischen 5 Zustand «Stillstand» vor.

Signalaufnehmer A aufgenommen wird, wenn sie sich relativ Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild einer Einrichtung, die die zum Signalaufnehmer A bewegt. Der unregelmässigen Ober- aufgezeigte Gesetzmässigkeit ausnützt zur Bestimmung der fläche entsprechend folgen sich im Signal a(t) unregelmässig genannten Zustände. 11 bezeichnet die genannte Oberfläche,

Maxima und Minima verschiedenster Form und Amplitude. beispielsweise eine Schiene, die sich relativ zur Einrichtung,

Diagramm B von Fig. 1 zeigt ein entsprechendes Signal io die beispielsweise an einem Schienenfahrzeug befestigt ist, in b(t) eines zweiten Signalaufnehmers B, das in Abhängigkeit der einen Richtung (Pfeil 12) oder der entgegengesetzten vom räumlichen Abstand zwischen den beiden Signalaufneh- Richtung (Pfeil 13) bewegt. 15 ist ein Messkopf, wie er bei-

mern A und B und in Abhängigkeit von der relativen Ge- spielsweise aus der erwähnten schweizerischen Patentschrift schwindigkeit zwischen der Oberfläche und den Signalauf- 550 404 bekannt ist. 16 ist der erste Signalaufnehmer A, der nehmern zeitverschoben ist gegenüber dem Signal a(t). Da die 15 das beschriebene Signal a(t) abgibt. 17 bezeichnet den zweiten beiden Signalaufnehmern A und B die gleiche Oberfläche Signalaufnehmer B, der das Signal b(t) abgibt. Diese beiden nacheinander abtasten, sind die Signale a(t) und b(t) einander Signale werden parallel zwei Kurzzeitkorrelatoren I und II,

ähnlich. Die Unterschiede zwischen den beiden Signalen a(t) die mit 20 und 21 bezeichnet sind, zugeführt. Diese Kurzzeit-

und b(t) rühren her von Unterschieden der beiden Signalauf- korrelatoren ermitteln in einem Zeitintervall x, das ein Takt-

nehmer A und B, von Abstandsschwankungen zwischen der 20 generator 25 durch seinen Takt bestimmt, jeweils einen Mess-

Oberfläche und den Signalaufnehmern, vom Signalrauschen wert tIn bzw. tIIn der aktuellen Verschiebungszeit,

usw. 27 und 29 sind zwei Mittelwertbildner, von denen der eine Auf der Zeitachse t (von Fig. 1) sind drei Zeitintervalle an- (27) aus den aufeinanderfolgenden Messwerten tIn des ersten gegeben. Das erste Intervall tIn stellt einen beliebigen n-ten Kurzzeitkorrelators 20 einen Mittelwert T] bildet und der

Messwert der Bestimmung der jeweiligen aktuellen zeitlichen 25 zweite (29) entsprechend einen Mittelwert Tn aus den Mess-

Verschiebung zwischen den Signalen a(t) und b(t) dar. Das werten tIIn des zweiten Kurzzeitkorrelators 21.

zweite Intervall stellt die wirkliche Verschiebungszeit T( dar 28 und 30 bezeichnen Vergleicher, die den jeweiligen Mitbzw. einen Mittelwert aus mehreren Einzelwerten tIn. Mit x telwert T, bzw. Tu mit dem jeweiligen Messwert ti„ bzw. t1In wird schliesslich ein Zeit- oder Messintervall bezeichnet, das der aktuellen Verschiebungszeit vergleichen und entscheiden, durch Taktsignale eines Taktgebers gegeben ist. Es setzt die 30 ob die Abweichung grösser oder kleiner als ein vorgegebener Zeitspanne fest, innerhalb derer jeweils ein Messwert tJn durch Wert 5 ist. Mathematisch ausgedrückt bedeutet dies die Bil-Korrelation der Signale a(t) und b(t) zu ermitteln und anzuge- dung des Absolutwertes aus der Differenz der genannten ben ist. Werte und einen Vergleich mit Ja/Nein-Entscheidung ( | Tr-tln

Fig. 2 stellt ein erstes Verteilungs-Diagramm der Mess- | ^ 5; |Tn-tIIn 1^5).

werte t[n der aktuellen Verschiebungszeit dar. Da die Korrela- 35 Jeder der beiden Vergleicher 28 und 30 gibt für jeden Ver-

tionsdauer jeweils nur der kurzen Zeitspanne x entspricht, gleich ein zweiwertiges Entscheidungssignal bzw. zwei gekop-

sind die Messwerte tIn jeweils mit einem mehr oder weniger pelte einwertige Signale a0 und <T] ab. Die Signale C] entspre-

grossen Messfehler behaftet und zum Teil total falsch. Auf chen dem Fall, bei dem der Unterschied zwischen dem jeweili-der Ordinate ist die Verteilungswahrscheinlichkeit rji bzw. die gen Mittelwert T und dem Messwert t kleiner als S ist, die Si-

Anzahl Messwerte n jeweils gleicher Verschiebungszeit ^ auf- 40 gnale a0 demjenigen, bei dem der Unterschied grösser als 8 ist.

getragen, auf der Abszisse diese aktuelle Verschiebungszeit t]. Den Entscheidungssignalen <j] sei der logische Wert 1, ct0 der

Die Messwerte häufen sich im Bereich der wirklichen Ver- logische Wert 0 zugeordnet.

schiebungszeit T], d.h. es bildet sich ein Peak, während sich Die Entscheidungssignale a werden einer Verknüpfungs-

im sonstigen Abszissenbereich eine annähernde Gleichvertei- einheit 32 zugeführt, in der sie paarweise drei UND-Toren 34

lung falscher Messwerte ergibt. Aus der Lage des Peaks lässt « bis 36 zugeführt werden. An den Ausgängen dieser UND-

sich somit die wirkliche Verschiebungszeit Ti ermitteln. Wei- Tore entstehen Koinzidenzsignale s, und zwar das Signal s0i ter lassen sich die annähernd richtigen Messwerte tIn in einem bei koinzidentem Auftreten der Ausgangssignale oI0 und cin,

Intervall 5 um die wirkliche Verschiebungszeit ^ lokalisieren, das Signal sI0 bei Cn und cno und s00 bei crI0 und cno (Die Indi-

Eine Verteilung der Messwerte tIn entsprechend Fig. 2 er- ces bezeichnen den jeweiligen Messkanal und die Wertigkeit),

gibt sich nur dann, wenn die Korrelation der Signale a(t) und 50 Jedem der drei Ausgänge der Verknüpfungseinheit 32 ist b(t) so erfolgt, dass die Signale in der der Verschiebungsrich- ein Vor/Rück-Zähler 39,40 bzw. 41 nachgeschaltet. Diese tung entsprechenden Reihenfolge verwendet werden. Erfolgt Zähler zählen vorwärts die ihnen zugeordneten Koinzidenzsi-

die Korrelation zwischen den Signalen a(t) und b(t) in umge- gnale s0i, Sio bzw. Soo- Rückwärts zählen sie die ihnen nicht zu-

kehrter Reihenfolge, also derart, dass sich kein wirkliches geordneten Koinzidenzsignale bis zum minimalen Zählwert

Korrelationssignal ergeben kann, so entstehen notwendiger- 55 Null. Auf diese Weise wird während eines Messintervalls x im weise ausschliesslich unrichtige Messwerte tnn- Diese sind allgemeinen der Zählwert eines Zählers erhöht und kein, ein

über den Bereich der möglichen Zeitverschiebung tu etwa oder zwei Zähler im Zählwert erniedrigt. (Kein Zählwert wird gleichverteilt. Dies zeigt Fig. 3. Tu bezeichnet dabei einen aus erhöht bei einer in die Erwägungen nicht einbezogenen Koin-

den (unrichtigen) Messwerten tIIn gebildeten Mittelwert, dem zidenz von an und crin).

wiederum ein Intervall S zugeordnet ist. 60

Zur Ermittlung der Zustände «Stillstand», «Bewegung in Sobald einer der durch die Zähler gebildeten Zählwerte der einen Richtung» und «Bewegung in der anderen Rieh- S0i, Si0, Soo einen vorbestimmten Wert M, zum Beispiel die tung» dienen nun vor allem die Messwerte ti„ und tnn, die in- Zahl 10, erreicht, gibt der entsprechende Zähler ein Aus-

nerhalb der genannten Intervalle § liegen. Aufgrund der ge- gangssignal SR, Sv bzw. Ss ab und stellt über ein ODER-Tor schilderten Gesetzmässigkeit ist bei gleicher Anzahl von Mes- 65 45 und einen Rücksteiler 46 alle Zähler 39,40 und 41 in ihre sungen I und II, d.h. wenn die Fläche unter den Kurven von Ausgangsposition zurück. Das Ausgangssignal SR entspricht

Fig. 2 und 3 gleich sind, die Anzahl der im Intervall 5 liegen- einer festgestellten Verschiebung in Richtung des Pfeiles 12,

den ersten Messwerte tIn deutlich grösser oder kleiner als die das Ausgangssignal Sy einer Verschiebung in Richtung des

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Pfeiles 13 und das Ausgangssignal ss dem Zustand den Koinzidenzsignale Zählern elektronischer oder elektro-

«Stillstand». mechanischer Bauart zu. Die gewünschten Ausgangssignale

Das Erreichen des maximalen Zählwertes M erfolgt je- SR, S v, bzw. Ss entstehen, wenn die entsprechenden Zähler ih-

weils nach einer variablen Anzahl von Schritten bzw. Messin- ren maximalen Zählwert M erreichen, d.h. wenn sie über-tervallen t. Bei ungestörten Abtastsignalen a(t) und b(t) ist die 5 laufen.

Entscheidungszeit kürzer und bei gestörten Abtastsignalen In Digital-Technik sind die Mittelwertbildner 27 und 29

wird sie länger. Dies entspricht einer sequentiellen Entschei- beispielsweise Prozessoren, die nach einem einfachen Algo-

dung und erhöht die Entscheidungssicherheit. rithmus aus den Messwerten tIn bzw. tu die Mittelwerte Tr

Statt der beschriebenen Vor/Rückzähler 39,40,41 kön- bzw. Tu berechnen. Die Vergleicher 28 und 30 sind ebenfalls nen grundsätzlich auch reine Vorwärtszähler eingesetzt wer- io Prozessoren, die die Differenzen (Ti—ti„) und (Tn-tjin) bilden den, die jeweils die ihnen zugeordneten Koinzidenzsignale s0i, undentscheiden, ob die Absolutwerte dieser Differenzen grosse bzw. Soo aufsummieren. Dies erniedrigt jedoch die Ent- ser oder kleiner als S sind.

scheidungssicherheit. Die Verknüpfungseinheit 32 und die Zähler 39 bis 41 kön-Da beim Übergang vom Zustand «Stillstand» zum Zu- nen schliesslich ebenfalls als Prozessoren ausgebildet sein, die stand «Verschiebung» und allgemein bei Geschwindigkeits- is die Koinzidenz der Entscheidungssignale a miteinander Veränderungen die wirkliche Verschiegungszeit Ti bzw. Tn stän- rechnen und getrennt aufsummieren.

dig ihren Betrag ändert, verschiebt sich natürlich auch der In einer bevorzugten Ausführungsform werden die ge-

Peak in Fig. 2. Durch ständige geeignete Anpassung der aus nannten Prozessoren zu einem einzigen programmgesteuerten den Messwerten tIn bzw. tIIn ermittelten Mittelwerte wird die- Prozessor zusammengefasst, der zeitmultiplexiert die be-

ser Gegebenheit Rechnung getragen, so dass keine weiteren 20 schriebenen Aufgaben der Einheiten 27 bis 41 ausführt.

Massnahmen notwendig sind. Als Kurzzeit-Korrelator 20,21 lassen sich vorteilhaft

Die Einheiten 27 bis 41 können in konventioneller Ana- Schaltkreise einsetzen, die aus der Regeltechnik unter der Belog- oder in modernerer Digital-Technik realisiert sein. Im er- Zeichnung «Open loop estimator» bekannt sind und bei denen sten Fall bilden die Mittelwertbilder 27 und 29 bekannte Mit- zur Ermittlung der Verschiebungszeit T zwischen den Abtast-telungsschaltungen, die ein Speicherglied, beispielsweise ein 25 Signalen a(t) und b(t) eine Vergleichs-Zeitverschiebung den RC-Glied, umfassen. Die Vergleicher 28 und 30 sind als Dif- ganzen infrage kommenden Zeitbereich kurzfristig über-ferenzverstärker ausbildbar, denen Schwellwertschaltungen, streicht.

beispielsweise Schmitt-Trigger nachgeschaltet sind. Die Höhe Die Einrichtung entsprechend Fig. 4 ist einsetzbar zur Be-

der Ansprechschwelle der Schmitt-Trigger entspricht dann Stimmung der Zustände «Fahrt»/«Stillstand» und «Fahrt in dem Intervall und die Entscheidungssignale ct werden gegeben so der einen Richtung»/«Fahrt in der anderen Richtung» und durch das Ansprechen bzw. Nichtansprechen der Schmitt- dient damit zur Ergänzung von Korrelations-Geschwindig-

Trigger. Die Verknüpfungseinheit 32 fasst mittels bekannter keitsmessern bekannter Art. Die Einrichtung ist einfach in der

UND-Tore 34 bis 36 die Ansprech- bzw. Nichtansprechsi- Ausführung und ermittelt die genannten Zustände rasch und gnale der Schmitt-Trigger zusammen und leitet die entstehen- mit grosser Sicherheit.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

653 137 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Ermitteln des jeweiligen von drei möglichen Verschiebungszuständen eines Messkopfes (15) relativ zu einer Oberfläche (11), wobei die Oberfläche nacheinander durch zwei im festen Abstand voneinander angebrachte Signalaufnehmer (A, B) zur Gewinnung zweier annähernd gleicher, gegeneinander um eine variable Zeitspanne verschobener stochastischer Abtastsignale (a(t), b(t) ) abgestastet und ein Messtakt festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet,

- dass jeweils innerhalb der durch den Messtakt festgelegten Messintervalle (x) aus dem ersten Abtastsignal (a(t) ) und dem gegenüber diesem zeitlich verschobenen zweiten Abtastsignal (b(t) ) zwei Messwerte (ti„, tiIn) für eine erste bzw. eine zweite Verschiebungszeit durch Korrelation ermittelt werden,

- dass aus diesen, aufeinanderfolgenden Messwerten (tIn, tHn) Mittelwerte (Tj bzw. Tn) gebildet werden,

- dass die jeweiligen Messwerte (tIn, tu,,) jeweils mit den zugeordneten Mittelwerten (Tls Tn) daraufhin verglichen werden, ob die gegenseitigen Abweichungen kleiner oder grösser als ein vorgegebener Wert (5) sind (| TH:In | ^ 8; | Tn-tn,, | ^ 8) unter Abgabe entsprechender erster (cti0, an) und zweiter Entscheidungssignale (ano, crm),

- dass die ersten ctio, cth) und zweiten Entscheidungssignale (ojjo, am) paarweise bezüglich ihres koinzidenten Auftretens geprüft werden unter Abgabe entsprechender Koinzidenzsignale (S0], Sio, s«,),

- und dass aus der relativen Häufigkeit der Koinzidenzsignale (sqi, Sio, soo) auf den jeweiligen Verschiebungszustand geschlossen wird.

2. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit zwei die Oberfläche (11) nacheinander abtaste-tenden Signalaufnehmern (16,17), und einem Taktgenerator (25) zum Festlegen der Messintervalle (x), gekennzeichnet durch

- zwei Kurzzeitkorrelatoren (20,21) zur Bestimmung der jeweiligen Messwerte (ti„, tIIn),

- zwei Mittelwertbildner (27,29) zur Bildung der Mittelwerte (Ti, T„),

- zwei Vergleicher (28,30) zum Vergleich der jeweiligen Messwerte (tIn, tIIn) mit den Mittelwerten (Ti, Tn),

- eine Verknüpfungseinheit (32) zur paarweisen Koinzidenz-Zusammenfassung der ersten (<Tio/ctii) mit den zweiten faiofoii) Entscheidungssignalen und entsprechend dem Zusammenfassungsergebnis zur Abgabe jeweils eines von drei unterschiedenen Koinzidenzsignalen (s0i, s10, Soo),

- und drei Zähler (39,40,41) zum Aufsummieren der ihnen zugeordneten Koinzidenzsignael (s0i, Si0, s0o) und zum Abgeben eines Ausgangssignals (SR oder Sv oder Ss) beim Erreichen eines vorgegebenen Zählwertes (M).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähler (39,40,41) Vor/Rück-Zähler sind, und dass bei jedem dieser Zähler der Vorwärtszähleingang mit dem jeweils zugeordneten Ausgang und die Rückwärtszähleingänge jeweils mit den beiden nicht zugeordneten Ausgängen der Verknüpfungseinheit (32) verbunden sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Zählern (39,40,41) ein Rücksteller (46) zugeordnet ist, der, sobald einer der Zähler (39,40,41) seinen vorgegebenen Zählwert (M) erreicht, alle Zähler (39,40,41) in ihre Ausgangsposition rückstellt.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähler (39,40,41) einen gleichen endlichen Zählbereich aufweisen, dessen maximaler Wert der vorgegebene Zählwert (M) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Mittelwertbildner (27,29) Mittelungsschaltungen mit einem Zeitglied sind,

- dass die Vergleicher (28,30) Differenzverstärker mit nachgeschalteten Schwellwertschaltungen sind, und

- dass die Verknüpfungseinheit (32) aus UND-Toren (34, 35,36) gebildet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildner (27,29) die Vergleicher (28,30), die Verknüpfungseinheit (32) und die Zähler (39,40,41) gebildet werden durch einen einzigen programmgesteuerten Prozessor mit zugeordneten Speichern, der die Funktionen der genannten Einheiten (27,28,29,30,32,29,40,41) im Zeitmultiplexbetrieb ausführt.