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Flankenkunde - wie lässt sich eine elektronische Stoppuhr steuern?

Die Elekronische Stoppuhr im Cassy* und in eigenständigen Geräten (Stand-alone) reagiert auf Spannungsänderungen. Im Folgenden wird beschrieben wie bei Leybold-Geräten Timer-Eingänge auf Signale reagieren und wie sich damit Laufzeiten messen lassen - ausgelöst durch Lichtschranken oder andere Schalter.

Die Messung der Fallzeit einer Kugel soll als Beispiel dienen.

*) Cassy = Computer Assisted Science SYstem

Geräte

Timer-Eingänge finden sich an Cassy-Boxen (z.B. Timer-S) und an eigenständigen Geräten, meist Form einer 6-poligen DIN-Buchse, manchmal ergänzt um einen herausgeführten 4-mm-Anschluss, der die eigentliche Signalleitung darstellt.

Zeitmessgerät mit 4 Timer-Eingängen
Stoppuhr mit 4 Timer-Eingängen (2 davon mit 4 mm-Buchsen, gelb)
Timer-S mit 2 Eingängen
Timer S mit 2 Eingängen, historisch bedingt als E und F bezeichnet.

Zustände Low und High


Timer-Eingang intern: liegt S auf 5 V entspricht das dem Zustand H(igh), bei 0V ist es L(ow).

Ein Timer-Eingang (hier mit S bezeichnet) kennt die Zustände Low und High, die mit 0 und 1 identifiziert und auch als L und H bezeichnet werden. Bei Geräten von Leybold liegt der Timer-Eingang im Ruhezustand über einen Pullupwiderstand (>=10 kΩ) auf + 5 V, was als High verstanden wird. Durch Verbinden der Timer-Eingangs mit Ground (GND) fällt die Spannung von 5 V über dem internen Widerstand ab und der Eingang selber liegt auf 0 V (GND), was zum Zustand Low (L) führt.

Flanken

Eine Änderung des Zustands wird als Flanke bezeichnet. Bei einer L-H-Flanke ist also der Eingang zunächst mit Ground verbunden, dann nicht mehr, bei der H-L-Flanke ist es umgekehrt.


Die Zustandsänderung lässt sich im einfachsten Fall mittels mechanischem Schalter realsieren (wobei sich dieser aufgrund seines Prellverhaltens real nur bedingt eignet).

Fallzeitmessung - Laufzeitmessung

Die Fallzeitmessung ist ein Spezialfall der Laufzeitmessung zwischen zwei Ereignissen (an zwei Orten): Die Stoppuhr soll starten, wenn eine Kugel losgelassen wird und stoppen sobald eine bestimmte Fallstrecke durchfallen wurde.

Einstellung einer Laufzeitmessung in CassyLab2. Gemessen wird die Zeit von einer Flanke am Eingang E bis zur Flanke am Eingang F

Zum Loslassen dient z.B. eine Kugelauslöseklammer (Phywe 02505-00), zum Stoppen eine Gabellichtschranke.

Messung der Kugelfallzeit mit Timer S. Anstelle des Sensor-Cassy kann auch ein Pocket-Cassy verwendet werden.

Die auf das Sensor-Cassy aufgesteckte Box Timer-S verfüg über 2 Eingängen, historisch als E und F bezeichnet. Der Timer-Eingang E (schwarzes Kabel, gelbe Buchse) ist mit GND verbunden (schwarze Buchse), da die Kugel eine leitende Verbindung darstellt, der Zustand ist also L. Wird die Kugel aus der Klammer losgelassen, unterbricht die Verbindung von E zu GND und der Timer-Eingang E wechselt zum Zustand High H (Flanke L-H). Am Timer-Eingang F ist die Lichtschranke angeschlossen (helles Kabel).


Standardmäßig werden für Start und Stopp L-H-Flanke erwartet. Über das Aktivieren des Checkbox (roter Pfeil) lässt sich der Flankentyp für bei Ereignisse auf H-L umschalten.

Während an eigenständigen Geräten von Leybold wie Phywe in der Regel detailliert vorgegeben werden kann, welcher Flankenverlauf zum Starten der Uhr, welcher zum Stoppen führen soll, setzt die Software CassyLab für Start und Stopp identische Flanken voraus, also beide Male L-H oder beide Male H-L. Da der mechanische Schalter in diesem Beispiel aber reichlich prellt, kommen in kurzer Abfolge beide Typen vor und man kann den Flankentyp an die Stoppbedingung der Lichtschranke anpassen: Hereinfallen in den Strahl: L-H, wieder freigeben: H-L. (Anmerkung: Phywe-Lichtschranken haben einen umgekehrten Flankenverlauf)

Die Lichtschranke als Schalter (Leybold)

Ein häufig verwendeter Schalter ist die Lichtschranke, sei es in Form einer großen Gabellichtschranke oder in Verbindung mit einem Speichenrad als Bewegungsaufnehmer.

Zeitmessgerät mit 4 Timer-Eingängen
Gabellichtschranke 33746
Timer-S mit 2 Eingängen
Kombilichtschranke 337462 mit Speichenrad 337464

 

Die freiem Lichtstrahl ist die Timer-Leitung mit GND verbunden (L), bei unterbrochenem Lichtstrahl nicht (H). Entsprechend ergeben sich folgende Flanken:

Die Messung der Zeit, in der der Lichtstrahl unterbrochen ist, auch Dunkelzeit genannt, erfolgt entsprechend über einen L-H-L-Flankenverlauf (links im Bild)

Bei Lichtschranke der Firma Phywe ist die Schaltlogik genau umgekehrt ...

Dazu gibt es zwei weitere Seiten, eine mit der Beschreibung des Problems, eine mit der Lösung.

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