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schaltungsanordnung zur Zuverlässigkeitsüberwachung von Drehzahlimpulsen
Die Erfindung betrifft die Zuverlässigkeitsüberwachung von Drehzahlimpulsen, die
entweder der Drehzahlmessung und -anzeige oder einer Bewertung für den Überdrehzahlschutz
dienen. Sie ist insbesondere für hochtourige Maschinen, wie z. B. Zentrifugen, zweckmäßig.
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Alle bekannten Überdrehzahl-Schutzschaltungen, z. B. DD-PS 200 111,
H 02 H - 7/093, DE-OS 2 015 576, G 05 d - 13/04, DE-OS 2 415 934, B 04 B - 9/10,
setzen eine praktisch stöxungs freie Drehzahlimpulserzeagung voraus. Sie konnen
den Ausfall von Drehzahlimpulsen infolge fehlerhafter Arbeitsweise der Drehzahlabtaststufen
nicht erkennen. Gefährlich ist der in kurzen Abständen immer wiederkehrende Ausfall
von Impulsen, weil die Zeitabschnitte ohne Impulsausfall für die Erfassung einer
oberdrehzahl zu kurz sind. Diese Zeitabschnitte müssen mindestens so groß wie die
Zeitbasis für die Impulszählung sein. Bei Impulsausfall ist also keine Sicherheit
des Abschaltens des Antriebs bei Uberdrehzahl gegeben.
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Ebenso wie bei Überdrehzahl-Schutzschaltungen führt der Ausfall von
Drehzahlimpulsen bei Drehzahlmeßschaltungen zu Meßfehlern, die ein beträchtliches
Ausmaß annehmen können. Auch hier sind keine Schaltungen bekannt, die eine Sehlerhafte
Meßwertbildung bzw. -anzeige signalisieren.
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Die erfindung bezweckt den Schutz vor den Folgen des Impulsausfalls
bei der Drehzahlüberwachung oder -messung.
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Der Erfindung lag di Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu
schaffen, die Drehzahlimpulse hinsichtlich ihres Vorhandenseins und Fehlens überwacht
und Signale zum Abschalten des Motors von Zentrifugen, insbesondere von Zentrifugen
mit zwei parallel arbeitenden Überdrehzahl-Schutzschaltungen, erzeugt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen: Die Schaltungsanordnung
ist aus zwei Drehzahlabtaststufen, diesen nachgeschalteten Impulsformern und Impulsverkürzern,
einer parallel an die Impulsverkürzer angeschlossenen ersten und zweiten Ausfallerkennungsschaltung
und einem Taktgeber zusammengesetzt.
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Die Abtaststufen sind in der Nähe deE Abtastelementes des drehenden
Teiles angeordnet. In der ersten Ausfallerkennungsschaltung ist jedem Impulsverkürzer
eine Hintereinanderschaltung aus einem ersten und einem zweiten flankengetriggerten
D-Flipflop zugeordnet. Eingänge der Hintereinanderscha1 tungen sind die Takteingänge
der vier Flipflop. Ihr Ausgang ist der Ausgang eines der beiden Flipflop. Die Ausgänge
der erster. Flipflop sind mit dem D-Eingang des zugehörigen zweiten Flipflop verbunden.
Die Setzeingänge und die D-Eingänge der beiden ersten Flipflop sowie der Setzeingang
eines zweiten Flipflop sind über einen Widerstand an eine Betriebsspannung gelegt.
Der Setzeingang des anderen zweiten Flipflop steht mit dem Ausgang des erstgenannten
zweiten Flipflop sn Verbindung. Die Ausgänge der zweiten Flipflop sind mit ihren
Reseteingänge und über AND-Gatter mit den Reseteingängen der ihnen vorgeschalteten
ersten Flipflop verknüpft.
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Die zweiten Eingänge dieser AND-Gatter sind jeweils an den Ausgang
des anderen Impulsverkürzers gelegt. Die zweite Ausfaller-Kennungsschaltung besteht
aus einer itintereinanderschaltung von
zwei AND-Gattern und eines
retriggerbaren Monoflop, wobei an den zweiten Eingang des zweiten AND-Gatters ein
separates Resetsignal anliegt.
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Ausführungsbeispiel In der zugehörigen Zeichnung zeigen Fig. 1 das
Prinzipschalttild der Schaltungsanordnung Fig. 2 das Schaltbild einer konkreten
Ausführung der Schaltungsanordnung ohne Abtaststufen und Impulsformer Fig. 3 das
Impulsdiagramn der ersten Ausfallerkennungsschaltung Big. 4 das Impulsdiagramtr
der zweiten Ausfallerkennungsschaltung.
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Fig. 1 veranschaulicht das Schaltungsprinzip in Verbindung mit einer
Zentrifuge. Von der Zentrifuge sind schematisch der Rotor 1, die Rotorwelle 2 und
der Antriebsmotor 3 einschließlich Getriebe dargestellt. Am Boden des Rotors 1 ist
als Abtastelement eine Sektoren abwechselnder aagnetischer Konsistenz aufweisende
Abtastscheibe 4 befestigt. Im ihrer unmittelbaren Nahe sind die induktiven Abtaststufen
5 und 6 angeordnet. Ihnen sind jeweils Impulsformer 7 und 8 zur Erzeugung TTL-gerechter
Rechteckimpulse nachgeschaltet, deren Ausgänge 17; 18 mit den Eingängen von Impulsverkürzern
9; 10 in Verbindung stehen. An die Ausgänge 19; 20 der Impulsverkürzer sind parallel
eine erste Au.fallerkennungsschaltung 27 und eine zweite Ausfallerkennungsschaltung
28 angeschlossen. Der Ausgang 24 der ersten Auefallerkennuagsschaltung 27 ist mit
dem Eingang eines Zählers 15 verbunden, dessen Ausgang 25 einen Eingang des Abschaltkreises
16 belegt. Der andere Eingang des Abschaltkreises 16 ist mit dem Ausgang 45 der
zweiten Ausfallerkennungsschaltung 28 belegt. Der Ausgang 26 des Abschaltkreises
16 führt zum Antriebsmotor 3 des Rotors 1. Ein Taktgenerator 29 weist einen Ausgang
30 für den Anschluß des Zählers 15 und einen Ausgang 31 für den Anschluß der zweiten
Ausfallerkennungsschaltung 28 auf.
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Nicht dargestellt ist die Jberdrehzahl-Schutzschaltung, die nicht
zur Erfindung gehört, aber im gewählten Ausführungsbeispiel den Sinn für die Anwendung
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt. Sie ist zweifach ausgeführt, eingangsseitig
mit den Ausgängen
17; 18 und einem weiteren Ausgang des Taktgenerators
29 und ausgangsseitig mit einem Eingang des Äbschaltkreises 16 verbunden.
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Die Impulsverkürzer 9; 10 sind aus einem NAND-Gatter 34; 36, einem
in einer der beiden Eingangsleitungen eingefügten Negator 83; 35 und einem diesen
Eingang B mit Masse verbindenden Kondensator Oi; 02 aufgebaut.
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Kernstücke der Schaltungsanordnung sind die Ausfallerkennungsschaltungen
27; 28 (Fig. 2). Sie sind aus integrierten Schaltkreisen aufgebaut, deren Typennzeichen
in der Fig. 2 vermerkt sind.
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Die Ausfallerkennungsschaltung 27 setzt sich aus einer Hintereinanderschaltung
eines ersten 11 und eines zweiten 13 flankengetriggerten D-Flipflop, die dem Impulsverkärzer
9 zugeordnet sind, einer Hintereinanderschaltung eines ersten 12 und zweiten 14
flankengetriggerten D-Flipflop, die dem Impulsverkürzer 10 zugeordnet sind, und
zwei AND-Gattern 37; 38 zusammen. Der Ausgang 19 des Impulsverkürzers 9 ist mit
den Takt eingängen T der Plipflop 11 13 und über das AND-Gatter 38 (Eingang A) mit
dem Reset eingang R des Flipflop 12 verbunden. An den Ausgang 20 des Impulsverkürzers
10 sind die Takteingänge g der Flipflop 12; 14 und über das AND-Gatter 37 der Reseteingang
R des Flipflop 11 angeschlossen. Die Ausgang 21; 22 bzw. Q der ersten Flipflop 11;
12sind mit den 1)-Eingängen D der zweiten Flipflop 13; 14 gekoppelt. Die Setzeingänge
S und die D-Eingänge D der Flipflop 11; 12 sowie der Setzeingang S des Flipflop
14 sind über den Widerstand W an die Betriebsspannung UB gelegt. Der Setzeingang
S des Flipflop 13 steht mit dem Ausgang Q des Flipflop 14 in Verbindung. Die Ausgänge
4 der Flipflop 13; 14 sind mit ihren Reseteingängen R und über die AND-Gatter 37;
38 (Eingänge B) mit den Reseteingängen der ihnen vorgeschalteten Flipflop 11; 12
verknüpft. Der Ausgang Q des Flipflop 13 - identisch mit dem Ausgang 24 der Ausfallerkennungsschaltung
27 - steht außerdem mit dem Vorwärtszähleingang OV des Zählers 15 in Verbindung.
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Dessen Datenausgang B ist über eine Lötbrucke an einen Negator 44
gelegt. Der Negatorausgang bildet den Ausgang 25 des Zählers 15. Der Reseteingang
X des Zählers 15 ist über einen Impulsverkürzer
43 an den zweiten
Ausgang 31 des Taktgenerators 29 angeschlossen. Der Impulsverkürzer 43 ist ebenso
wie die Impulsverkürzer 9; 10 aufgebaut.
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Die Ausfallerkennungsschaltung 28 setzt ich aus zwei AND-Gattern 39;
40 und zwei flankengetriggerten D-Flipflop 41; 42 zusammen, die funktionell einen
retriggerbaren Monoflop bilden. Die beiden Eingänge k; B des AND-Gatters 39 sind
mit den Ausgängen 19; 20 verbunden. Der Ausgang des AND-Gatters 39 ist an den A-Singang
des AKD-Gatters 40 geführt, an dessen B-Eingang ein gesondertes, im Steuergerät
der Zentrifuge erzeugtes Resetsignal anliegt. Der Ausgang dieses Gatters 40 führt
zu den Setzeigängen S der Flipflop 41; 42. Der Ausgang Q des Flipflop 41 ist an
den Takteingang T des Flipflop 42 gelegt. Aber invertierte Ausgang Q ist mit dem
eigenen D-Eingang verbunden. Der Takteingang T des Flipflop 41 ist an den ersten
Ausgang SO des Taktgenerators 29 angeschlossen.
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Die Reseteingänge R beider Flipflop 41; 42 liegen über einen Widerstand
W2 an der Betriabspannung UB an. Der Ausgang Q des Flipflop 42 repräsentiert den
Ausgang 45 der Ausfallerkennungsschaltung 28.
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Die Funktionsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung soll anhand
der Impulsdiagramme (Fig. 3 und 4) der Eingangs- und Ausgangssignale der beiden
Augfallerkennungsschaltungen 27; 28 erläutert werden. Die Impulsamplituden sind
wie üblich mit den Bezugszeichen der entsprechenden :din- und Ausgänge belegt. Unter
diesen sind in Klammern di Bezugszeichen der zugehörigen Bauelemente angegeben.
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Betrachtet werden vier funktionstypische Betriebszustände a); b);
c) d). Im Betriebszustand a) wird der normale Betrieb ohne Impulsausfälle oder StörimpuLse
gezeigt. Die Zustände b1); b) veranschaulichen Impulsausfälle auf einem der beiden
Abtastkanäle, deren Anzahl unter einer durch die Lötbrücke des Zählers 15 festgelegten
Höchstzahl pro Zefteinheit T2 bleibt. Der Zustand c) verdeutlicht einen Impulsausfall,
de rdiese Höchstzahl überschreitet.
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Der Zustand d) (Fig. 4) stellt den statischen Impulsausfall auf beiden
Abtastkanälen dar.
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Die in den Abtaststufen 5; 6 erzeugten und in den Impulsformern 7;
8 in Rechteckform gebrachten Drehimpulsfolgen 17; 18 werden
den
Impulsverkürzern 9 10 zugeführt, wo aus den Rechteckimpulsen mit dem Tastverhältnis
1 : 1 Low-Impulse 19; 20 mit einer Breite von etwa 30 ns, beginnend mit (ler IH-Flanke
der Rechteckimpulse, gebildet werden.
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Ausgehend davon, daß der erste Impuls 19 des ersten Kanals eher als
der erste Impuls 20 des zweiten Kanals gebildet wird, entsteht folgender Funktionsablauf:
Die Ausfallerkennungsschaltung 27 definiert sich durch die Rückführung der Q-Ausgänge
23 und 24 auf die jeweiligen Reseteingänge R selbst. Dadurch liegen die Ausgänge
21; 22 auf L-Pegel und 23; 24 auf H-Pegel. Durch den L-Pegel des ersten Impulses
der Impulsfolge am Ausgang 19 liegt am Reseteingang R des Flipflop 12 für die Dauer
des Impulses L-Pegel an, und Ausgang 22 würde auf L-Pegel gesetzt. Mit der LH-Flanke
des gleichen Impulses wird über den Takteingang T der FlipfLop 11 am Ausgang 21
auf H gestellt. Dieselbe IH-Flanke bewirkt am Flipflop 13 keine Veranderung aufgrund
des L-Pegels am D-Eingang, da der Flipflop 11 noch nicht geschaltet ist. Mit dem
L-?egel des anschließend folgenden Impulses 20 wird der Flipflop 11 wieder rückgesetzt
und der Q-Ausgang 21 hat wieder L-Pegel. Die IH-Blanke desselben Impulses schaltet
über den Takteingang T den Flipflop 12 auf H-Pegel. Hierdurch wird der Flipflop
14 nicht beeinflußt, weil an seinem D-Eingang zum Zeitpunkt der LH-Flanke noch I-Pegel
anlag. Dieser Vorgang wiederholt sich bei abwechselnd eintreffenden Impulsen 18;
20.
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Die Summe der Impulse 19; 20, die vom AND-Gatter 39 gebildet wird,
gelangt über das AND-Gatter 40 an die Setzeingänge S der Flipflop 41; 42. Sie hält
die Flipflop an derea Q-Ausgängen ständig auf H-Pegel. Der am Takteingang T des
Flipflop 41 anliegende Zeittakt 30, deseen Frequenz klein gegenüber dr Frequenz
der Impulssumme ist, kippt den Flipflop 41 mit seiner i-Flanke zeitweilig um.
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Es wird aber durch den nächsten Impuls am Setzeingang S wieder zurückgekippt,
wobei derselbe Impuls den Flipflop 42 ebenfalls setzt, so daß sich sein Q-Pegel
nicht ändert. Fallen die Impulse 19; 20 beider Abtastkanäle aus (Fig. 4d), werden
die Flipflop 41;
42 nicht mehr gesetzt. Spätestens nach der Zeit
T2 wird der Flipflop 41 und nach der Zeit 2 T2 auch der Flipflop 42 gekippt.
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Am Q-Ausgang 45 tritt ein L-Pegel auf, der über den Abschaltkreis
16 den Antriebsmotor 3 außer Betrieb setzt.
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Fällt im zweiten Abtastkanal 6; 8; 10 ein Impuls 20 aus (Fig.
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3b1), so wird der vorher durch die LH-Flanke des Impulses 19 gekippte
Flipflop 11 nicht zurückgesetzt. Ebenso verbleibt der Flipflop 12 auf 1-Pegel. Der
nächste Impuls 19 am Takteingang T bewirkt ein kurzzeitiges Kippen des Flipflop
13 auf L-Pegel, weil er sich über die Rückkopplung auf seinen Reseteingang R selbst
wieder auf H-Pegel setzt. Mit demselben Signal wird der Flipflop 11 auf L-Pegel
zurückgesetzt. Der wiedereintreffende nächste Impuls 20 bringt den Flipflop 12 auf
H-Pegel. Der L-Impuls 24 gelangt zum Vorwärtszähleingang CV des Zählers 15, Die
Datenausgänge A, B, C, D geben Impulse nach dem Untersetzungsverhältnis 1, 2, 4,
8 ab. Der Ausgang B z. B. gibt nur bei jedem zweiten Impuls 24 innerhalb der Taktzeit
T2 ein signal, das nach Negation am Ausgang 25 erscheint (Fig. 3 c). Das Rücksetzen
des Zählers 15 erfolgt durch kurze Impulse, die der Impulsverkürzer 43 aus dem Takt
T2 ableitet.
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Fällt im ersten Abtastkanal 5; 7; 9 ein Impuls 19 aus (Fig. 3b2),
so bleibt der Q-Ausgang 21 des Flipflop 11 auf 1-Pegel. Der anschließend erscheinende
Impuls 20 schaltet den Flipflop 14 kurzzeitig auf Pegel, weil er sich selbst wieder
zurücksetzt. Gleichzeitig wird der Flipflop 12 auf L gesetzt und der Flipflop 13
kurzzeitig auf L geschaltet. Dieser I-Impuls 24 gelangt zwar zum Zähler 15, bewirkt
aber ebenso wie im Fall 3b1 keinen L-Impuls 25.
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Fallen aber auch die folgenden Impulse 19 aus (Fig. 3c), so bleibt
der Flipflop 11 auf 1-Pegel. Bei jedem Impuls 20 wiederholen sich die im Betriebszustand
3b2 geschilderten Vorgänge. Es werden fortlaufend lt-Impulse 24 erzeugt, wovon die
ersten beiden innerhalb der Taktzeit T2 anfallenden Impulse einen L-Impul£ 25 verursachen,
der über den Abschaltkreis 16 den Antriebsmotor 3 außer Betrieb setzt.
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Im beschrieben Ausführungsbeispiel sind die Impulse 17; 18 um 900
zueinander phasenverschoben. s treten Folgefrequenzen bis 480 Hz auf. Die Zeittakte
betragen T1 ~ 6 s und T2 = 0,6 s.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1 Rotor 2 Rotorwelle 3 Antriebsmotor
4 Abtastscheibe 5 Abtaststufe 6 Abtaststufe 7 Impulsformer 8 Impulsformer 9 Impulsverkürzer
10 Impulsverkürzer 11 Flankengetriggerter D-Flipflop von 27 12 Flankengetriggerter
D-Flipflop von 27 13 Flankengetriggerter Flipflop von 27 14 Flankengetriggerter
D-Flipflop von 27 15 Zähler 16 Abschaltkreis 17 Ausgang/Ausgangs impuls von 7 18
Ausgang/Ausgangsimpuls von 8 19 Ausgang/Ausgangs impuls von 9 20 Ausgang/Ausgangs
impuls von 10 21 Ausgang/Ausgangsimpuls von 11 22 Ausgang/Ausgangsimpuls von 12
23 Ausgang/Ausgangs impuls von 14 24 Ausgang/Ausgangsimpuls von 13 und 27 25 Ausgang/Ausgangsimpuls
von 15 26 Ausgang/Ausgangsimpuls von 16 27 1. Ausfallerkennungsschaltung 28 2. Ausfallerkennungsschaltung
29 Taktgenerator 30 1. Ausgang/Ausgangsimpuls von 29 31 2. Ausgang/Ausgangsimpuls
von 29
33 Negator von 9 34 NAND-Gatter von 9 35 Negator von 10
36 NAND-Gatter von 10 37 AND-Gatter von 27 38 AND-Gatter von 27 39 AND-Gatter von
28 40 AXD-Gatter von 28 41 Flankengetriggerter Flipflop von 28 42 Flankengetriggerter
D-Flipflop von 28 43 Impulsverkürzer zu 15 44 Negator zu 15 45 Ausgang/Ausgangsimpuls
von 42 und 28 A Eingäge von 34; 36; 37; 38; 39; 40; 43 B Eingänge von 34; 36; 37;
38; 39; 40; 43 C1 Kondensator von 9 C2 Kondensator von 10 CV Vorwärtszähleingang
von 15 D D-Eingänge von 11; 12; 13; 14; 41; 42 Q,Q Ausgänge von 11; 12; 13; 14;
41; 42 R Reseteingänge von 11; 12; 13; 14; 41; 42 R5 Resetsignal von 40 S Setzeingänge
von 11; 12; 13; 14; 41; 42 T Takteingänge von 11; 12; 13; 14; 41; 42 T1 Taktzeit
von 30 T2 Taktzeit von 31 UB Betriebsspannung w1 Widerstand von 28 W2 Widerstand
von 28