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Technisches
Gebiet
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Zur
Steuerung von Brennkraftmaschinen ist eine sehr exakte Drehzahlerfassung
bzw. Winkelmessung wichtig. Zur Drehzahl- bzw. Winkelmessung dient
in der Motorsteuerung ein auf der Kurbelwelle montiertes Geberrad
mit beispielsweise 60 Zähnen
am Umfang und einer Zahnlücke
von 2 Zähnen.
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Zur
optimalen Steuerung von Brennkraftmaschinen ist eine sehr exakte
Drehzahlerfassung bzw. eine hochexakte Winkelmessung sehr wichtig.
Die Drehzahl- und Winkelmessung wird über ein auf der Kurbelwelle aufgenommenes
Geberrad ermittelt, welches beispielsweise 60 Zähne am Umfang aufweist und
mit einer Lücke,
die 2 Zähne
umfaßt,
versehen ist zur Bestimmung der Absolutlage des Geberrades. Dem
auf der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine montierten Geberrad
ist ein Drehzahlgeber zugeordnet, der beispielsweise als ein induktiver
Drehzahlgeber beschaffen sein kann. Die Drehzahl läßt sich
mit Hilfe dieser Komponenten aus der Zeit ermitteln, die vergeht,
bis die Kurbelwelle sich um ein am Umfang des Geberrades definiertes
Winkelsegment gedreht hat. Bei diesen Konfigurationen ist zwar die Zeitmessung
recht exakt, wohingegen das Winkelsegment, das durch die elektrischen
Flanken des Drehzahlgebersignals definiert ist, verschiedenen Toleranzen
unterworfen sein kann, so beispielsweise Toleranzen hinsichtlich
aufeinanderfolgender Zähne,
Anbaufehler des Geberrades auf der Kurbelwelle sowie einer möglichen
Exzentrizität
des Geberrades als spritzgußgefertigtes
Bauteil beispielsweise.
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Es
wird versucht, die Einflüsse
der beispielhaft aufgeführten
Toleranzquellen aus dem Geber von Segmentfehlern im Schubbetrieb
der Brennkraftmaschine abzuleiten (Einspritzmenge = 0), ferner werden
Geberrad-Lernverfahren für
Einzelzähne
eingesetzt. Diese Verfahren lassen sich im ersten Falle nur zur
Detektion von Fehlern der Länge
720° Kurbelwinkel/Zylinderzahl
einsetzen, ferner ist Schubbetrieb (d. h. Einspritzmenge = 0) zwingende
Voraussetzung für
dieses Verfahren. Mit dem Geberrad-Lernverfahren für Einzelzähne können Winkelfehler,
die einen Drehzahlverlauf vortäuschen,
der mit der Zündfrequenz
der Brennkraftmaschine übereinstimmt,
nicht erfaßt
werden.
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DE 27 11 593 A1 bezieht
sich auf einen Drehzahlmesser. Es wird ein Drehzahlmesser mit einem
optischen Impulsgeber offenbart, der aus mindestens zwei einem Unterbrecherrad
zugeordneten und aus je einer Lichtquelle und je einem Photodetektor
zusammengesetzten Lichtschranken besteht. Ferner wird eine Schaltung
zur Auswertung der vom Impulsgeber mit Hilfe des den Lichtstrom
in den Lichtschranken unterbrechenden Rades erzeugten Signale offenbart.
Durch zwei am Unterbrecherraum um 180° Drehwinkel versetzt zueinander
angeordnete Lichtschranken und durch eine Schaltung werden die Signale
beider Lichtschranken zu einem gemeinsamen Ausgangssignal gleicher,
aber gemittelter Frequenzen zusammengesetzt.
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DE 38 13 754 A1 bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Winkelposition eines
drehbaren Körpers.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Erfassung der Winkelposition
eines um eine Achse drehbaren Körpers,
der umlaufende Signalauslösungselemente
aufweist. Diese können
mit einer Beobachtungseinrichtung festgestellt und in Bezug auf
den zurückgelegten
Weg ausgewertet werden. Mindestens zwei Beobachtungseinrichtungen
werden auf einer theoretischen Drehachse des Körpers und auf die Signalauslösungselemente
derart ausgerichtet, dass die gegenüber der theoretischen Drehachse
exzentrisch umlaufenden Signalauslösungselemente in den Beobachtungseinrichtungen
jeweils Signale auslösen,
deren Summe von der Exzentrizität
unabhängig
ist.
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US 4, 454, 428 hat die Geräuschreduzierung
einer Stabilisierungseinheit für
Synchronmaschinen, bei deren Antrieb Torsionsschwingungen auftreten,
zum Gegenstand. Ein Mehrmassenschwinger, in diesem Falle in Reihe
geschaltete Dampfturbinen treiben einen zur Stromerzeugung dienenden
Generator an. Ein gezahntes Rad wird mittels zwei einander gegenüberliegend
angeordneten Sensoren abgetastet. Deren Ausgangssignale werden summiert,
um höhere
harmonische Schwingungsanteile aufgrund von Exzentrizitäten im Antriebsstrang
des Generators zu ermitteln.
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EP 0 067 804 A1 hat
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Drehzahl von
Brennkraftrmaschinen zum Gegenstand. Zur raschen Bestimmung der
Drehzahl von Brennkraftmaschinen erfolgt der Messvorgang innerhalb
eines Winkelbereiches des von der Kurbelwelle durchlaufenen Winkels,
der dem Quotienten des für
einen vollständigen
Arbeitszyklus eines Zylinders durchlaufenen Winkels durch die Anzahl der
Zylinder entspricht. Bei einer zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten
Vorrichtung, die einen elektronischen Regler zur Verstellung von
Betriebsgrößen in Abhängigkeit
von der Drehzahl sowie wenigstens einen Geber für die Aufnahme der Drehzahl
sowie elektrische Leitungen zwischen Geber und elektronischem Regler
aufweist, ist über
dem Umfang der Kurbelwelle oder eines mit dieser verbundenen Teiles
eine gerade Anzahl mit dem Geber zusammenwirkender Markierungen
vorgesehen, deren Winkelabstand voneinander höchstens gleich dem sich aus
dem Quotienten des für
einen vollständigen
Arbeitszyklus eines Zylinders durchlaufenen Winkels geteilt durch
die Anzahl der Zylinder ergebenden Winkels ist.
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DE 196 01 242 A1 bezieht
sich auf eine Versatzerfassungseinrichtung, die den Versatz zwischen
einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil erfasst. Das erste
Bauteil umfasst nahezu eine gleiche Teilung aufweisende Vorsprünge (Zähne), das
zweite Bauteil weist eine größere Teilung
auf. Wenigstens eines der ersten und zweiten Bauteile ist aus einem
magnetischen Material hergestellt, so dass in einem Spalt zwischen dem
ersten und dem zweiten Bauteil ein magnetisches Feld erzeugbar ist.
Dieses ändert
sich ansprechend auf einen Versatz zwischen den vorstehenden Teilen
des ersten Bauteiles in Bezug auf die Weite des zweiten Bauteiles
zyklisch. Zur Erfassung der Änderung
des Versatzes sind erste und zweite magnetoresistive Elemente vorgesehen,
deren Signale in einer Erfassungseinrichtung ausgewertet werden.
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DE 44 45 684 A1 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Ermittlung von Drehmomenten, Arbeiten
und Leistungen an Verbrennungskraftmaschinen zur Bestimmung zylinderspezifischer
Arbeits-, Drehmoment- und Leistungswerte, insbesondere zur Regelung
des Motors bzw. der einzelnen Zylinder. Dies wird erreicht durch eine
genaue Ermittlung von Kennlinien und eine aus dem Kennlinienfeld
errechenbare Ermittlung des effektiven Drehmomentes, welches für die Ermittlung
der weiteren zylinderspezifischen Daten wesentlich ist.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung
der Drehzahl einer Brennkraftmaschine bereitzustellen, welches unabhängig von
speziellen Betriebszuständen
einer Brennkraftmaschine eine Fehlerkompensation bei exakter Drehzahlerfassung
ermöglicht.
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Mit
dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Verfahren lassen sich mit der Zündfrequenz
auftretende Winkelfehler kompensieren. Dadurch ist eine wesentlich
exaktere Erfassung der Zündfrequenzkomponenten der
Drehzahl einer Verbrennungskraftmaschine möglich. Ist die Zündfrequenzkomponente
mit höchstmöglicher
Genauigkeit erfaßt,
läßt sich
diese einem Momentenschätzverfahren
aus Drehzahlsignalen zugrunde legen, deren im Rahmen eines Schätzverfahrens
ermittelte Werte wesentlich aussagekräftiger sind. Ferner lassen
sich die Zahnfehler, die für
die Zumeßgenauigkeit
von Bedeutung sind, kompensieren, so daß eine höhere Genauigkeit für die Erfassung
der Drehzahl gegeben ist.
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Gilt
es andere Frequenzkomponenten zu erfassen, so kann der Winkelabstand,
in dem die zwei dem Umfang des Geberrades zugeordneten Sensoren
anzuordnen sind, anders gewählt
werden; bei der Mengenausgleichsregelung beispielsweise ist die
exakte Kurbelwellenfrequenz wichtig. Bei der Erfassung von Kurbelwellensignalen
können
die Sensoren unabhängig
von der Zylinderzahl der Brennkraftmaschine um jeweils 180° KW zueinander
versetzt angeordnet werden.
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Für die Kraftstoffzumessungszeitpunkte
können
Winkelfehler besonders kritisch sein. Durch geeignete Anordnung
der Sensoren am Umfang des Geberrades können die Störanteile dadurch ausgelöscht oder
gegeneinander aufgehoben werden, daß der Winkelabstand zwischen
erstem und zweiten Sensor in Umfangsrichtung 6° KW beträgt, d. h. ein Zahninkrement,
unabhängig
von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt die Erfassung von physikalischen Signalen am
Umfang eines Geberrades, die jeweils von Störsignalen überlagert sind; sowie die Mittelung
dieser zusammengesetzten Signale an einer Summationseinheit.
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Ausführungsvarianten:
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Bei
der Konfiguration gemäß 1 wird
ein physikalisches Signal 1, beispielsweise die Drehzahl
einer Verbrennungskraftmaschine, über ein Geberrad 2 ermittelt.
In bevorzugter Ausgestaltung des Geberrades 2 ist dieses
mit einer Umfangsverzahnung versehen, beispielsweise mit entlang
des Umfangs verteilt angeordneten 60 Zähnen, von denen hier die Zähne 5, 6, 7 und 8 dargestellt
sind. Die Zähne 5, 6, 7 und 8 sind
vergrößert herausgezeichnet
und schließen
zwischen jeweils zwei Zähnen
einen Winkel von 90° ein.
Am Umfang des Geberrades 2 ist die Zahnlücke von
zwei Zähnen
vorhanden, die der Ermittlung der Absolutlage des Geberrades 2 und
damit der Erfassung der Absolutlage der Kurbelwelle 3, 4 einer
Brennkraftmaschine dienen.
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Das
Geberrad 2 wird in bevorzugter Ausführungsvariante an der Stirnseite
der Kurbelwelle 3, die um die Kurbelwellenachse 4 rotiert,
befestigt und erlaubt eine Erfassung der Drehzahl der Kurbelwelle
bzw. einer Erfassung der Winkellage der Kurbelwelle durch die Sensoren 9 und 11.
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Im
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Verhältnisse
an einer 4-Zylinderbrennkraftmaschine
dargestellt. Dem Umfang des im Uhrzeigersinn rotierenden Geberrades 2 sind
zwei Sensoren 9 bzw. 11 zugeordnet, deren Sensorköpfe 10 bzw. 12 an
die Köpfe
der Zähne
des Geberrades 2 heranreichen, von denen hier lediglich
die Zähne 5, 6, 7 und 8,
alle im Winkel von 90° zueinander
positioniert, dargestellt sind. Da es sich um eine 4-Zylinderbrennkraftmaschine
handelt, und sich der Winkel zwischen den Sensoren 9 bzw. 11 gemäß der Beziehung
360° KW
(Kurbelwellenwinkel/Zylinderzahl) bestimmt, beträgt der Winkel zwischen den
Sensoren 9 bzw. 11 90° KW. Bei 6-Zylinderbrennkraftmaschinen wären es 60° KW, bei
8-Zylindermotoren analog 45° KW.
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Als
Drehzahlgeber 9 bzw. 11 kommen induktiv oder kapazitiv
arbeitende Geber in Betracht, deren Stirnflächen 10, 12 möglichst
nah an den Umfang des Geberrades 2 herangeführt sind,
um möglichst
genaue Signale zu empfangen.
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Die
analoge, physikalische Drehzahl des Motors liegt als Drehzahlverlauf
n (t) vor. Durch Auswertung der Zahnflanken bei einer Drehzahlerfassung
wird die Passage der Flanken der Zähne 5, 6, 7 oder 8 entlang der
Sensoren 9 bzw. 11 erfaßt, so daß die Zündfrequenzkomponente dieser
Signale genau bestimmbar ist. Handelte es sich um ein System, das
ohne jeglichen Fehler vorläge,
so erfolgte bei einer Auswertung der Information eines der Sensoren 9 bzw. 11 die
Erfassung des gewünschten
Drehzahlverlaufes n (t), das physikalische Signal 1 entspräche in diesem
Falle dem abgegriffenen Signal 14 bzw. 16, welches
ohne jegliche überlagerte
Fehlersignale vorläge.
Das ideale Signal wäre
beispielsweise in 6° KW-Abstand
gemittelt und entsprechend diskretisiert, was jedoch in der Darstellung
gemäß der einzigen
Figur nicht dargestellt ist.
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Reale
Drehzahlerfassungssysteme sind mit Winkelfehlern behaftet, was fertigungs-
und montagetechnisch bedingt ist. Das physikalische vom jeweiligen
Sensor 9 bzw. 11 abgegriffene Signal 14 bzw. 16 wird
von einem Störsignal 15 bzw. 17 überlagert.
Das jeweilige Störsignal 15 bzw. 17 hängt von
den Winkelfehlern, mit denen das Drehzahlerfassungssytem behaftet
ist, ab. Das Störsignal 15 bzw. 17 wird
in der Praxis aus einem Frequenzgemisch gebildet; in der Darstellung
gemäß der einzigen
Figur ist das jeweilige Störsignal 15 bzw. 17 lediglich
aus dem Frequenzanteil, der die Zündfrequenzkomponente repräsentiert, gebildet,
der für
die Anwendung besonders kritisch ist. Durch das mittels des Sensors 9 beispielsweise
abgegriffene Signal 14, übertragen durch die Signalleitung 13,
welchem ein Störsignal 15 überlagert
ist, wird eine Bestimmung der tatsächlichen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
erschwert. Dies ist dann der Fall, wenn zur Drehzahlerfassung lediglich
das Signal eines Drehzahlgebers ausgewertet werden kann.
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Erfolgt
die Drehzahlerfassung bei einer Verbrennungskraftmaschine hingegen
zusätzlich
mit einem weiteren Drehzahlgeber 11, der in Bezug auf den
bereits angesprochenen ersten Drehzahlgeber 9 um 90° zu diesem
versetzt angeordnet ist, so wird der mit dem Geberrad 2 und
dessen Zähnen
jeweils mitlaufende Fehler vom weiteren Drehzahlgeber 11 um
90°, also
eine Viertelumdrehung des Geberrades 2 später, nochmals
erfaßt.
Wird diese Phasenverschiebung des Drehzahlsignales um 90° KW auf die
Phase der Grundschwingung, beispielsweise der zu erfassenden Zündfrequenz
bezogen, so ergibt sich eine Gesamtphasenverschiebung von 180°.
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In
der einzigen Figur sind die tatsächlich
abgegriffenen Signale 14 bzw. 16 von einem Störsignal 15 bzw. 17 überlagert,
welche – angedeutet
durch die gestrichelte, sich vertikal erstreckende Linie – um 180° zueinander
phasenverschoben sind. Bei einer Mittelung der jeweils aus dem abgegriffenen
Signal 14 bzw. 16 der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 und
dem diesen jeweils überlagernden
Störsignal 15, 17 gebildeten
Sensorsignal 18 bzw. 19, heben sich aufgrund der
mit einer Phasenverschiebung von 180° zueinander vorliegenden Störsignale 15 und 17 diese
gegeneinander auf. Die jeweils gebildeten Drehzahlgebersignale 18 bzw. 19 lassen
sich nach deren Zusammenführung 20 einer
Summationseinheit 21 zuführen und normieren. Aus dem
normierten Signal läßt sich
ein Ausgangssignal 22 rekonstruieren, welches dem Signal
entspricht, das bei einem winkelfehlerlosen System erfaßt werden
könnte.
In vorliegendem Fall ließe
sich die Zündfrequenzkomponente
ohne Überlagerung
durch ein Störsignal
genauestens erfassen.
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Für die Erfassung
der Zündfrequenzkomponente
bietet sich eine um 90° KW
zueinander versetzte Anordnung der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 an;
soll an anderen Frequenzkomponenten hingegen erfaßt werden,
so kann zwischen den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 auch
ein anderer Winkelabstand gewählt
werden, der verschieden von 90° ist.
Das von den Drehzahlgebern bzw. Sensoren 9, 11 gelieferte
Drehzahlsignal 14, 16 kann frequenzselektiv, z.B. über eine
FFT (Fast Fourier Transformation) ausgewertet werden. Welche Frequenzanteile jeweils
anschließend
analysiert und korrigiert werden, hängt von der jeweiligen Anwendung
ab. Das erste Sensorsignal 14 enthält auf der jeweiligen Frequenz
ein Signal, welches die physikalische Drehzahlinformation und eine
vom Geberrad 2 kommende Störung 15 enthält. Signal1,
k = SignalPhysik, k + SignalStör,
k (1)
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Der
zweite Sensor 11 liefert bei derselben betrachteten Frequenz
ein Signal 16, welches die physikalische Drehzahlinformation
Amplituden- und phasengleich wie der erste Sensor 9 enthält, jedoch überlagert von
einer um eine bestimmte Phase verschobenen Störung 17. Die Phasenverschiebung
hängt dabei
von der betrachteten Frequenz und dem Winkelabstand ab, unter dem
die beiden Sensoren bzw. Drehzahlgeber 9, 11 zueinander
montiert sind. Die Amplitude der Störung ist identisch mit der
Störung 15 vom
ersten Signal 14. Signal2, k = SignalPhysik, k + SignalStör, k × e–jkφ (2)
- φ:
- Winkelabstand Kurbelwellenwinkel
der beiden Drehzahlsensoren 9 bzw. 11 voneinander
- k:
- Vielfaches des Winkelabstandes
- Signalx:
- komplexe Amplitude
der jeweiligen Schwingung
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Werden
beide Gleichungen (1) und (2) ineinander eingesetzt, so kann die
Größe SignalPhysik, k oder SignalStör, k berechnet
werden.
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Auch
Störsignalanteile
durch Zahnteilungsfehler des Geberrades 2, die aufgrund
der Anordnung der beiden Drehzahlgeber 9 bzw. 11 nicht
mit 180° Phasenverschiebung
ausgewertet werden, können über die obigen
zwei Gleichungen ermittelt oder eliminiert werden.
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Zur
Mengenausgleichsregelung im Schubbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine
ist eine besonders genaue Erfassung der Frequenz der Kurbelwelle 3 wichtig.
Wird der Winkelabstand zwischen den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 auf
180° KW
gewählt,
so läßt sich
mit dem Geberrad 2 und den Drehzahlgebern 9 bzw. 11 eine
exaktes, die tatsächliche
Kurbelwellenfrequenz repräsentierendes
Drehzahlsignal erzeugen, bei dem die real auftretenden Störsignale 15 bzw. 17 sich
gegeneinander aufheben, unabhängig
von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Für die genaue
Ermittelung der Kraftstoffzumeßzeitpunkte
für die
Einspritzvorgänge,
ist besonders der Winkelfehler von Zahninkrement zu Zahninkrement,
welcher dem Geberrad 2 zwangsläufig innewohnt, wichtig. Mit
der oben angegebenen Vorgehensweise lassen sich auch diese Signale überlagernde
Störanteile
von Zahninkrement zu Zahninkrement gegeneinander aufheben, wenn
der Winkelabstand zwischen den dem Umfang des Geberrades 2 jeweils
zugeordneten Drehzahlgebern 9 bzw. 11 ein Zahninkrement,
d. h. bei 60 Zähnen beim
Umfang des Geberrades 2, 6° KW, beträgt. Der Winkelversatz der Drehzahlgeber 9 bzw. 11 kann
6° KW, unabhängig von
der Zylinderanzahl der Verbrennungskraftmaschine betragen, an der
die Einspritzzeitpunkte für
die Zumessung der Kraftstoffmenge zu bestimmen sind.
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- 1
- physikalisches
Signal
- 2
- Geberrad
- 3
- Kurbelwelle
- 4
- Kurbelwellenachse
- 5
- 1.
Zahn
- 6
- 2.
Zahn
- 7
- 3.
Zahn
- 8
- 4.
Zahn
- 9
- 1.
Drehzahlgeber
- 10
- Drehzahlgeberkopf
- 11
- 2.
Drehzahlgeber
- 12
- Drehzahlgeberkopf
- 13
- Signalleitung
- 14
- erstes
abgegriffenes Signal
- 15
- 1.
Störsignal
- 16
- zweites
abgegriffenes Signal
- 17
- 2.
Störsignal
- 18
- erstes
erzeugtes Drehzahlgebersignal
- 19
- zweites
erzeugtes Drehzahlgebersignal
- 20
- Zusammenführung
- 21
- Summationseinheit
- 22
- rekonstruiertes
physikalisches Signal
