CH673537A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen und anderen rotierenden Teilen mit einem hohen Drehzahlbereich.

Schaltungsanordnungen, die der Erfassung von Drehzahlimpulsen zur Messwertbildung dienen, enthalten ausser dem Lichtsender und dem Lichtempfänger einen Verstärker und einen Trigger als Impulsformer. Als Lichtsender werden häufig IR-Leuchtdioden und als Lichtempfänger Fototransistoren verwendet. Der Gewinnung der Drehzahlimpulse dienen in der Mehrzahl der Fälle auf dem Rotor oder auf einer Welle angeordnete Rasterscheiben.

Die mit derartigen Schaltungsanordnungen erzielbare Genauigkeit der Drehzahlmessung ist insbesondere bei hohen Drehzahlen unbefriedigend bis unakzeptabel. Falls Reflexrasterscheiben mit einer hohen Segmentzahl verwendet werden, gilt dies schon für niedrigere Drehzahlen. Der Grund hierfür liegt darin, dass diese Schaltungen nur relativ niedrige Impulsfrequenzen verzerrungsfrei verarbeiten können, obwohl die Grenzfrequenzen der elektronischen Lichtempfänger, z.B. Fototransistoren, höhere Frequenzen zuliessen.

Infolge alterungsbedingter Änderungen des Lichtsenders und -empfängers, betriebsbedingter Verschmutzungen aller Abtastelemente und Schwankungen des Abstandes der Impulsscheibe zu dem Lichtempfänger und dem Lichtsender während des Betriebes sind keine konstanten Bedingungen für eine exakte Impulsgewinnimg und Messwertbildung gegeben. Dieser Mangel äussert sich hauptsächlich in der Inkonstanz des Tastverhältnisses der erzeugten Impulse. Einem Teil dieser Veränderungen wird durch erneuten Abgleich, spätestens nach Funktionsausfall der Abtaststufe, begegnet. Hinzu kommt zu dieser Erscheinung noch die Drehzahlabhängigkeit des Tastverhältnisses der elektrischen Impulse infolge des Einflusses der Bauelementeschaltzeiten.

Exemplarstreuungen insbesondere der Leuchtdioden erfordern ein Einstellen ihrer Stromstärke vor der ersten Inbetrieb-5 nähme. Bei den bekannten Schaltungsanordnungen wird der Lichtsender mit der eingestellten Stromstärke gespeist, auch bei Rotorstillstand. Dies setzt die Lebensdauer des Lichtsenders herab. Die bekannten Schaltungsanordnungen beinhalten keine Anzeige eines bedrohlichen Ausmasses der funktions- und alte-lo rungsbedingten Veränderungen des Messsignals. Erst durch Drehzahlmessfehler wird die fehlerhafte Impulserzeugung offenbar.

Die Erfindung hat das Ziel, auch für hohe Drehzahlen die erforderliche Messgenauigkeit zu gewährleisten, ein konstantes 15 Tastverhältnis der gewonnenen Impulse zu sichern, Einstellbzw. Abgleicharbeiten zu vermeiden, die Lebensdauer des Lichtsenders zu erhöhen und ein bedrohliches Ausmass von Veränderungen des Messsignals anzuzeigen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs-20 anordnung zur optischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen, zu entwickeln, die eine hohe Messgenauigkeit bis zu hohen Drehzahlen hin und ein konstantes Tastverhältnis der Impulse unabhängig von der Drehzahl, von Alterungserscheinungen der optoelektronischen Abtastelemente, von Verschmut 25 zungen und von betriebsbedingten Abstandsänderungen aufweist, ohne Einstell- bzw. Abgleicharbeiten auskommt, die Lebensdauer des Lichtsenders erhöht und ein definiertes Ausmass von Veränderungen des Messsignals anzeigt. Die Lösung dieser Augabe schliesst als bekannte Elemente einen Lichtsender und 30 einen Lichtempfänger ein, die eine Rasterscheibe abtasten.

Erfindungsgemäss ist vorgesehen:

Der Lichtempfänger ist mit einem Anschluss an eine Kaskodestufe und mit dem anderen Anschluss an eine Konstantstromquelle angeschlossen. Die Emitterschaltung der Kaskodestufe ist 35 gleichzeitig Bestandteil der Konstantstromquelle, die ferner zwischen der Basiselektrode und dem einen Betriebsspannungspol eine Parallelschaltung aus einem Widerstand und einem Referenzelement aufweist. Der Ausgang der Kaskodestufe ist mit dem einen Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers, 40 einem retriggerbaren Monoflop, dem Ausgang einer Schaltstufe und einer Messwertschaltung verbunden. Der zweite Eingang des integrierenden Differenzverstärkers ist an einen Spannungsteiler angeschlossen. Der Ausgang des integrierenden Differenzverstärkers ist an eine Triggerstufe und über den Lichtsender 45 und einen Begrenzungswiderstand an den anderen Betriebsspannungspol geführt. Der Ausgang des retriggerbaren Monoflops ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes verknüpft, dessen zweiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung beschaltet ist. Der Ausgang des UND-Gliedes steht mit dem Eingang der so Schaltstufe in Verbindung.

In einer zweckmässigen Ausführung ist weiterhin vorgesehen:

Die als Lichtsender verwendete IR-Leuchtdiode und der Begrenzungswiderstand bilden den Lastwiderstand eines Leistungstransistors in Kollektorschaltung. Der Ausgang der Trig-55 gerstufe ist mit einem optischen Signalgeber und einer Fehlerauswerteschaltung verbunden.

Die zugehörige Zeichnung zeigt den Stromlaufplan einer ausgeführten Schaltungsanordnung, die für die Drehzahlmessung einer Ultrazentrifuge bestimmt ist.

» Der Lichtsender, eine IR-Leuchtdiode 1 und der Lichtempfänger, ein Fototransistor 2, sind ganz in der Nähe einer nicht dargestellten Reflexrasterscheibe am Gestell einer Zentrifuge angebracht. Die Reflexrasterscheibe ist auf der Rotorwelle fest angeordnet.

es Der Fototransistor 2 besitzt zwei Anschlüsse 3, 4. Der Anschluss 3 ist direkt an den Koppelsteg 5 einer Kaskodestufe geführt. Die Kaskodestufe setzt sich aus einem Transistor 6 in Basisschaltung und einem Arbeitswiderstand 7 sowie aus einem

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Transistor 8 in Emitterschaltung zusammen. Sie ist an einen positiven Betriebsspannungspol + Ub und einen negativen Betriebsspannungspol —Üb angeschlossen. Der Anschluss 4 steht über einen Widerstand 10 mit der Basiselektrode 11 des Transistors 8 in Verbindung. Zwischen der Basiselektrode 11 und dem negativen Betriebsspannungspol —UB sind parallel ein Widerstand 12 und eine als Referenzelement verwendete Leuchtdiode 13 geschaltet. Der Transistor 8, der Arbeitswiderstand 9, der Widerstand 10, der Widerstand 12 und die Leuchtdiode 13 bilden in der dargestellten Zusammenschaltung eine Konstantstromquelle.

Der Ausgang 14 der Kaskodestufe ist mehrfach beschaltet.

Eine Anschlussleitung 15 führt zu einer die Drehzahlimpulse verarbeitenden Messwertschaltung 16. Der Ausgang 14 ist weiterhin über einen Widerstand 17 an den invertierten Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers 18 geführt. Ausserdem ist er mit dem Eingang B eines retriggerbaren Monoflop 19 und dem Ausgang einer Schaltstufe 20 verbunden. Der nichtin-yertierte Eingang des Differenzverstärkers 18 ist an einen Spannungsteiler angeschlossen, der von den Widerständen 21 und 22 gebildet wird. Der Ausgang 23 des integrierenden Differenzverstärkers 18 ist über einen Widerstand 24 mit der Basiselektrode eines Leistungstransistors 25 in Kollektorschaltung verknüpft. Der Lastwiderstand desselben wird von der IR-Leuchtdiode 1 und einem Begrenzungswiderstand 26 gebildet. Zwischen der Basiselektrode und dem positiven Betriebsspannungspol +Ub ist eine Schutzdiode 33 eingefügt.

Zwischen der Emitterelektrode des Leistungstransistors 25 und dem Eingang einer Triggerstufe 27 besteht eine leitende Verbindung. Als Triggerstufe 27 wird ein Schmitt-Trigger verwendet. An den Ausgang der Triggerstufe 27 sind ein optischer Signalgeber, z.B. eine Leuchtdiode 28, und eine Fehlerauswerteschaltung 29 angeschlossen.

Der Ausgang Q des retriggerbaren Monoflop 19 ist mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes 30 verknüpft, dessen zweiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung 31 belegt ist. Der Ausgang des UND-Gliedes 30 ist über einen Widerstand 32 an den Steuereingang der Schaltstufe 20, eines Schalttransistors, geführt. Der Schalttransistor ist in Emitterschaltung geschaltet.

Die beschriebene Schaltungsanordnung besitzt folgende Funktionsweise:

Beim Übergang in den Startzustand der Zentrifuge erhält der eine Eingang des UND-Gliedes 30 über die Start-Stop-Leitung 31 L-Pegel. Der dann am Ausgang des UND-Gliedes 30 liegende L-Pegel sperrt die Schaltstufe 20. Der Fototransistor 2 erhält noch kein Licht, wodurch der Transistor 8 gesperrt ist. Der Kondensator des integrierenden Differenzverstärkers 18 lädt sich auf und steuert über dessen Ausgang den Leistungstransistor 25 durch. Die IR-Leuchtdiode 1 bekommt Strom und leuchtet auf. Beginnt sich jetzt der Rotor zu drehen, gelangen Lichtimpulse von der Reflexrasterscheibe auf den Fototransistor 2, der die Konstantstromquelle 8, 9, 10, 11, 12, 13 ein- und ausschaltet. Dadurch wird auch der Transistor 6 der Kaskodestufe 5, 6, 7, 8, 9 geschaltet. An seinem Arbeitswiderstand 7 entstehen Impulse, die am Ausgang 14 den angeschlossenen Funktionsstufen 16, 18, 19 zur Messwertbildung, Regelung und

Überwachung zur Verfügung stehen. Über die Anchlussleitung 15 gelangen die Impulse zur Messwertschaltung 16.

Der Ausgang Q des retriggerbaren Monoflops 19 kippt in den L-Zustand, was am Ausgang des UND-Gliedes 30 keine s Änderung bewirkt.

Die Impulse laden den Kondensator des Differenzverstärkers 18 auf und entladen ihn, wobei sich über ihn ein Mittelwert der Impulsspannung einstellt. Dieser Mittelwert wird vom Differenzverstärker 18 mit der vom Spannungsteiler 21, 22 ab-lo gegriffenen Spannung verglichen. Bei Gleichheit, d.h. bei unverändertem Tastverhältnis der Impulse, bleibt die Spannung am Ausgang 23 des Differenzverstärkers 18 konstant. Dadurch ändert sich auch der Strom durch die IR-Leuchtdiode 1 nicht. Abstandsänderungen der Reflexrasterscheibe zu der IR-Leucht-15 diode 1 und/oder dem Fototransistor 2, die Alterung beider Elemente und die Verschmutzung der Reflexrasterscheibe führen zu einem anderen Tastverhältnis der Impulse am Arbeitswi-derstand 7, was sich in einer Änderung des Mittelwertes der Impulsspannung über dem Kondensator äussert. Die dadurch be-20 wirkte Spannungsdifferenz am Eingang des Differenzverstärkers 18 wird von diesem verstärkt und veranlasst den Leistungstransistor 25 zu einer Änderung des Stromes durch die IR-Leuchtdiode 1, wodurch deren Lichtstärke eine Änderung erfährt. Die Lichtstärkeänderung ist derart, dass sie ihrer Ursa-25 che, der Änderung des Tastverhältnisses, entgegenwirkt und sie praktisch aufhebt. Damit liegt eine Regelung des Tastverhältnisses vor. Regelstrecke ist die Abtaststrecke, Regler der integrierende Differenzverstärker 18, Sollwertgeber der Spannungsteiler 21, 22 und Stellglied der Leistungstransistor 25 und die 30 IR-Leuchtdiode 1.

Die Verwendung der Kaskodestufe 5, 6, 7, 8 zur Verstärkung der Impulse und die Tastung der Konstantstromquelle 8, 9, 10, 11, 12, 13 ermöglichen es, Drehzahlimpulse bis zu höchsten Frequenzen verzerrungsfrei zu erzeugen.

35 Solange der Regler noch regeln kann, d.h. der Leistungstransistor 25 sich noch nicht in der Sättigung befindet, wird dies über ein L-Potential am Ausgang des Schmitt-Triggers 27 durch Leuchten der Leuchtdiode 28 angezeigt. Fliesst bei Sättigung des Leistungstransistors 25 der durch den Begrenzungswi-40 derstand 26 festgelegte Maximalstrom durch die IR-Leuchtdiode 1, geht der Ausgang des Schmitt-Triggers 27 auf H-Pegel. Die Leuchtdiode 28 erlischt, die Fehlerauswerteschaltung erhält ein Signal. Im Stopzustand der Zentrifuge erhält ein Eingang des UND-Gliedes 30 H-Potential. Bei Stillstand des Rotors lie-45 fert der retriggerbare Monoflop 19 wegen fehlender Impulse an seinem Ausgang Q H-Potential. Dadurch ergibt sich am Ausgang des UND-Gliedes 30 ebenfalls H-Potential. Der Schalttransistor 20 wird leitend. Der Kondensator entlädt sich über den Widerstand 17; der Differenzverstärker 18 geht in die posi-50 tive Sättigung, sperrt den Leistungstransistor 25 und schaltet damit den Strom durch die IR-Leuchtdiode 1 ab. Der gesperrte Leistungstransistor 25 bewirkt H-Potential am Eingang des ,Schmitt-Triggers 27, dessen Ausgang auf L-Pegel geht und die Leuchtdiode 28 einschaltet. Die eingeschaltete Leuchtdiode 28 55 zeigt im Stopzustand der Zentrifuge das Abschalten der IR-Leuchtdiode 1 an.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Schaltungsanordnung zur optischen Drehzahlabtastung, insbesondere an Zentrifugen, mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, gekennzeichnet dadurch, dass der Lichtempfänger (2) mit einem Anschluss (3) an eine Kaskodestufe (5, 6, 7, 8) und mit dem anderen Anschluss (4) an eine Konstantstromquelle (8, 9,10,11, 12, 13) angeschlossen ist, wobei die Emitterschaltung (8) der Kaskodestufe (5, 6, 7, 8) gleichzeitig Bestandteil der Konstantstromquelle (8, 9, 10, 11, 12,13) ist, die zwischen der Basiselektrode (11) und dem einen Betriebsspannungspol (—UB) eine Parallelschaltung eines Widerstandes (12) und eines Referenzelementes (13) aufweist, der Ausgang (14) der Kaskodestufe (5, 6, 7, 8) mit der Messwertschaltung (16), mit dem einen Eingang eines integrierenden Differenzverstärkers (18), mit einem retriggerbaren Monoflop (19) und dem Ausgang einer Schaltstufe (20) verbunden ist, der zweite Eingang des integrierenden Differenzverstärkers (18) an einem Spannungsteiler (21,22) angeschlossen ist, der Ausgang (23) des integrierenden Differenzverstärkers (18) an eine Triggerstufe

   (27) und über den Lichtsender (1) und einen Begrenzungswiderstand (26) an den anderen Betriebsspannungspol (+Ub) geführt ist, der Ausgang (Q) des retriggerbaren Monoflops (19) mit dem ersten Eingang eines UND-Gliedes (30) verknüpft ist, dessen zweiter Eingang mit einer Start-Stop-Leitung (31) beschaltet ist, und der Ausgang des UND-Gliedes (30) mit dem Eingang der Schaltstufe (20) in Verbindung steht.
2. 2. Schaltungsanordnimg nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die als Lichtsender dienende IR-Leuchtdiode (1) und der Begrenzungswiderstand (26) den Lastwiderstand eines Leistungstransistors (25) in Kollektorschaltung bilden und der Ausgang der Triggerstufe (27) mit einem optischen Signalgeber

   (28) und einer Fehlerauswerteschaltung (29) verbunden ist.