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Die Erfindung betrifft einen batterielosen Signalgeber mit Wiegand-Sensor nach dem Oberbegriff des Patenanspruches 1.
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Bei bisher bekannten Gas- oder Wasserzähler wird der Zählerstand elektronisch ausgelesen und digital verarbeitet. Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, zusätzlich so genannte Niedrigfrequenzsignal(LF)- oder Hochfrequenzsignal(HF)-Signalgeber zu verwenden.
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Die LF-Anwendungen werden in Rotationsgaszählern mit niedriger Umdrehungszahl eingesetzt. Am Rotationsgaszähler können zusätzlich so genannte Flowcomputer (z. B. Mengenumwerter u. ä.) angeschlossen werden, welche, mit zusätzlichen Messinformationen wie Gastemperatur und Gasdruck, den vom Gaszähler im Betriebszustand gemessenen Gasvolumenwert in einen Gasvolumenwert im sog. „Normzustand” umrechnen (Temperatur- und Druckkorrektur des Gasvolumens).
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Andererseits sind so genannte HF-Anwendungen bekannt. Hier handelt es sich um industriell eingesetzte Turbinenradzähler, die mit hoher Umdrehung rotieren. Auch hier werden zusätzliche Flowcomputer (z. B. Mengenumwerter u. ä.) für einzelne Aufgaben angeschlossen, welche das HF-Signal als Eingangssignal verwenden.
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Bisher war es jedoch nicht bekannt, zwischen diesen beiden Anwendungsarten umzuschalten oder von einer Anwendungsart auf die andere überzugehen.
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Mit dem Gegenstand der
US 6 612 188 B2 ist ein batterieloser Zähler mit Verwendung eines Wiegand-Sensors bekannt geworden, bei der der Wiegand-Sensor allein zur Stromversorgung der Auslöseschaltung dienen soll.
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Die genannte Druckschrift offenbart lediglich eine Zählschaltung, ohne dass eine Auswertung der Zählimpulse dort beschrieben wäre. Damit besteht der Nachteil, dass die Stromversorgung durch den Wiegand-Sensor nur die Zählschaltung mit Strom versorgt, nicht aber weiter daran angeschlossene Auswerteschaltungen.
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Im Übrigen besteht der weitere Nachteil, dass die von dem dort verwendeten Wiegand-Sensor erzeugten Impulse unscharf und schwierig zu verarbeiten sind. Die Betriebssicherheit einer derartigen Schaltung ist deshalb eingeschränkt.
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Mit dem Gegenstand der
DE 102 59 223 B3 oder der
EP 0 658 745 B1 ist ein Positionsdetektor bekannt geworden, der im einfachsten Fall mit zwei Impulsspulen einen dort als Impulsdraht bezeichneten Wiegand-Sensor betätigt, wobei aus der Auslöserichtung der Ummagnetisierung und der Ummagnetisierungsrichtung des Impulsdrahtes zusammen mit der letzten festgestellten und abgespeicherten Position und Polarität alle für eine Zählung notwendigen Informationen gleichzeitig vorhanden sind.
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Die Energieversorgung für die Auswerteelektronik erfolgt aus den Signalen der Induktionsspulen SP, SP1 und SP2. Wenn nur eine Induktionsspule SP verwendet wird, dann erfolgt die Energieversorgung einer Hall-Sonde durch diese Spule.
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Nachteil bei dieser Anordnung ist, dass eine aufwendige Schaltung vorgesehen wird, die nicht in der Lage ist, zusätzliche Impulsfrequenzen zur Verfügung zu stellen.
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Durch eine solche Zurverfügungstellung zusätzlicher Impulsfrequenzen aus dem Signal des Wiegand-Sensors könnten zusätzliche Impulswandlerschaltungen eingespart werden, was eine einfachere Auswertung am Ausgang des batterielosen Signalgebers ermöglicht. Somit wäre ein universeller Einsatz gegeben.
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Bei den genannten Druckschriften besteht der weitere Nachteil, dass die den Wiegand-Sensor nachgeschaltete Auswerteschaltung in nachteiliger Weise die Impulsformung der Zählimpulse beeinträchtigen kann. Außerdem wird bei diesen Druckschriften der von dem Wiegand-Sensor erzeugte Impuls nicht nach außen geleitet, sondern intern in einer aufwendigen Zählschaltung verwendet, an deren Ausgang ein gezählter und ausgewerteter Wert erscheint. Die aufbereiteten Zählimpulse sind bei derartigen Schaltungen nicht nach außen ableitbar.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen batterielosen Signalzähler mit Wiegand-Sensor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass er in der Lage ist, die intern aufbereiteten Impulse nach außen dem Kunden zur Verfügung zu stellen, und dass eine Rückwirkung der nach außen abgeleiteten Impulse auf die gezählten Impulse nicht vorkommt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruches 1 gekennzeichnet.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der batterielose Signalgeber mit Wiegand-Sensor im Wesentlichen die vom Wiegand-Sensor erzeugten Impulse einem Trennglied zuführt, welches beispielsweise als MOSFET ausgebildet ist und dass am Ausgang dieses Trenngliedes eine Impulsdauereinstellung angeordnet ist, welche die gezählten Impulse wahlweise in Impulse mit hoher Impulslänge oder mit niedriger Impulslänge umwandelt, und dass ferner beide Impulsarten am Ausgang des batterielosen Zählers zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Die Verwendung eines Trenngliedes in einer hoch isolierenden Ausführung, wie z. B. in der Ausführung als MOSFET hat den Vorteil, dass praktisch keine Leckströme erzeugt werden, welche den Wirkungsgrad des Wiegand-Sensors beeinträchtigen könnten.
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Es handelt sich also um eine einstellbare Impulslänge der vom Wiegand-Sensor erzeugten Zählimpulse, wobei die eine Art der Impulse, die nur eine geringe Impulsbreite haben, der Einfachheit halber als HF-Impulse bezeichnet werden, während die Impulse, die eine relative lange Impulsdauer haben, als LF-Impulse bezeichnet werden.
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Die Nutzung und das Vorhandensein der Zählschaltung ist hierbei optional – die Kombination mit einer echten Zählung damit nicht zwingend.
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Die HF-Impulse können für Zählungen hochdrehender Turbinen angewendet werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass bei einer derartigen Impulserzeugung die Impulse sich gegenseitig überlagern.
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Bei niedrig drehenden Anwendungen werden bevorzugt die LF-Impulse verwendet.
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Der vom Wiegand-Sensor erzeugte Energieimpuls wird über eine zur ersten Signalverarbeitung (welche für den bereits bekannten Zählvorgang benutzt wird) parallele Schaltung geleitet, um diese HF-/LF-Signale zu erzeugen. Dazu steuert der Wiegand den vorher genannten MOSFET an. Ausgehend von diesem ersten MOSFET wird die Schaltung zur Erzeugung des HF-/LF-Signals betrieben. Somit wird vom Wiegand-System nahezu keine elektrische Energie abgezogen, welche die Hauptfunktion (Zählvorgang) beeinträchtigen könnte. Mit einem Jumper oder einem Wählschalter kann zwischen der Signalaufbereitung von HF- oder LF-Signalen gewechselt werden, und es kann dazu die gleiche Schaltung benutzt werden, was mit einem sehr niedrigen Schaltungsaufwand verbunden ist.
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Durch die Verwendung eines MOSFETs als Trennglied wird der Vorteil erreicht, dass mit geringstem Stromverbrauch ein relativ schwaches Signal des Wiegand-Sensors rückwirkungsfrei verwendet werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die Impulse der HF-/LF-Signale einstellbar ausgebildet sind.
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Demgemäß bestehen die Vorteile der Erfindung darin, dass die Amplitude und die Zeitdauer der HF-/LF-Impuls einstellbar sind und dass durch das erfindungsgemäße Trennglied keine Beeinflussung der eigentlichen stromlosen Zählung stattfindet. Es werden gut zu detektierende rechteckförmige Impulse erzeugt, dies ganz im Gegensatz zu vielen bekannten Sensoren und Signalgebern, die lediglich in der Lage sind, sinusförmige Signale/Impulse zu erzeugen (z. B. kapazitive, induktive o. ä. Sensoren).
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Derartige Geräte zur Erzeugung von Impulsen, wie sie im Gasbereich verwendet werden und die mit einem der oben genannten Sensorprinzipien/Signalgebern arbeiten, können nunmehr entfallen, weil erfindungsgemäß diese Funktion, mit zudem vorteilhaftem rechteckförmigen Ausgangssignal, vom einem batterielosen Zähler übernommen werden kann.
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Solche zum Stand der Technik gehörenden Sensoren/Signalgeber benötigen eine eigene Energieversorgung. Eine solche Energieversorgung muss extern zugeführt werden oder durch eine Batterie aufgebracht werden.
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Gemäß der Erfindung muss für die HF- und LF-Signale in Verbindung mit dem batterielosen Zähler zwar auch von außen Energie zugeführt werden, aber diese Energie wird von der Kundenseite zugeführt, und zwar von den vom Kunden beizustellenden Kundenauswerteschaltungen (z. B. Flowcomputer, Mengenumwerte u. a.), welche die am Ausgang des batterielosen Zählers anliegenden rechteckförmigen Signale weiter verarbeiten. Auch wird nur dann Energie zugefügt, wenn die Impulse von einer der Kundenauswerteschaltungen gebraucht werden und die Kundenauswerteschaltungen damit zusätzlich an den batterielosen Zähler angeschlossen wird.
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Hier reicht es aus, im Bereich der Kundenauswerteschaltung eine einfache Stromversorgung einzubauen, die zum Beispiel als AC/DC Wandler oder als Batterie ausgebildet ist. Wichtig hierbei ist, dass diese externe Stromversorgung nur einzig und allein auf die Impulswahlschaltung im batterielosen Zähler wirkt, aber die Zählschaltung, welche die Signale des Wiegand-Sensors aufbereitet, nicht beeinflusst und auch nicht notwendig ist, dass diese Zählschaltung mit Strom versorgt wird. Weil nur ein Teil des batterielosen Signalgebers, nämlich nur die Zählimpulswahlschaltung allein von der externen Energie versorgt wird, ergibt sich hieraus eine besonders lange Batterielebensdauer, die im Bereich von zwischen 10 bis 20 Jahren liegen kann.
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Wichtig ist also, dass ein zusätzlicher Sensor/Signalgeber zur Erfassung der Signale eines rotierenden Magnetfeldes entfallen kann, der in nachteiliger Weise Sinussignale erzeugt und dass stattdessen gemäß der Erfindung mit einem Wiegand-Sensor und einem batterielosen Signalgeber, der stromlos arbeitet, eine Aufbereitung in Rechteckform passiert, das beim Stand der Technik nicht der Fall war.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung, werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen:
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1: Blockschaltbild eines batterielosen Zählers
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2: ein gegenüber 1 verfeinertes Blockschaltbild mit Darstellung weiterer externer anzuschließender Kundenauswerteschaltungen
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3: ein verfeinertes Schaltbild im Vergleich zu 1 und 2
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4: das Signaldiagramm der von der Schaltung erzeugten LF-Impulse
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5: das Signaldiagramm der von der Schaltung erzeugten HF-Impulse
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Der batterielose Zähler 1 in 1 und 2 arbeitet stromlos. Dies bedeutet, dass er auf eine externe Stromversorgung wie eine Versorgung mit einer Batterie oder eine externe Stromzufuhr nicht angewiesen ist.
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Die gesamte Anordnung des batterielosen Zählers ist in einem rohrförmigen Gehäuse mit einem Außendurchmesser von zum Beispiel 30 mm und einer Länge von 40 mm untergebracht, woraus sich ergibt, dass ein solches rohrförmiges Gehäuse in einem Gas- oder Wasserzähler eingeschraubt werden kann, in dessen Innenraum ein Turbinenrad rotiert, welches mit einem oder mehreren Permanentmagneten besetzt ist. Dieses rotierende Magnetfeld wird von dem Wiegand-Sensor 2 erfasst und in an sich bekannter Weise in Impulse umgesetzt, die über die Leitung 3 einer Zählschaltung 4 zugeleitet werden. Die Zählschaltung 4 zählt die eingehenden Impulse pro Zeiteinheit je nach Drehrichtung hinauf oder herunter und speichert diesen Zählwert in einem FRAM ab.
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Am Ausgang der Zählschaltung sind hierbei die Leitungen 8, 9 angeschlossen, die am Gehäuse des batterielosen Zählers abgegriffen werden können und einer oder mehreren Anzeige- und Auswerteschaltungen 10 über eine Kommunikationsleitung zugeführt werden können. Die Leitungen 8, 9 sind beispielhaft als serieller BUS ausgebildet. Von der Leitung 3 zweigt eine Leitung 5 ab, die den Eingang einer Impulswahlschaltung 6 bildet. Mit dieser Impulswahlschaltung ist es möglich, die vom Wiegand-Sensor erzeugten Signale in andere Signalformen zu übersetzen. Hier wird ausgewählt, ob am Ausgang der Leitung 7 LF-Signale oder HF-Signale erscheinen sollen.
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Der Kunde, der diesen batterielosen Zähler in einen Wasser- oder Gaszähler einsetzt, kann vorher an der Impulswahlschaltung auswählen, welche Art von Impulsen er auf der Leitung 7 verwenden möchte.
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Diese Signale stehen am Anschlusspunkt 16 des batterielosen Zählers 1 zur Verfügung und werden einer Kundenschaltung 11 zugeleitet, in der mindestens ein Widerstand 13, eine Spannungsquelle 14 und eine Erdleitung 15 angeordnet sind.
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Wichtig hierbei ist, dass allein die Spannungsquelle 14 über die Leitung 7 und den Anschlusspunkt 16 die Impulswahlschaltung 6 mit Strom versorgt, um die dort enthaltenen Elemente betriebsfähig zu halten.
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Die Impulswahlschaltung 6 wird von einer externen Stromversorgung versorgt mit welcher auch die Amplitude der Ausgangspulse 30, 32 eingestellt werden können.
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In der Impulswahlschaltung 6 sind lediglich Elemente enthalten, die in 3 aufgezeichnet sind, nämlich beispielsweise Gleichrichterdioden, Kondensatoren und MOSFETs sowie Widerstände, sodass es sich um Standardbausteine handelt.
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Die 3 zeigt ein verfeinertes Ausführungsbeispiel im Vergleich zu 1, dass die erzeugten und aufbereiteten Signale bzw. Impulse 31 des Wiegand-Sensors 2 über einen Widerstand einem Trennglied 17 zugeführt werden, welches als hoch isolierendes MOSFET ausgebildet ist. Damit wird jede Rückwirkung der Signale in der Impulswahlschaltung 6 über die Leitung 5 auf den Wiegand-Sensor 2 vermieden.
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Im Übrigen sind der Impulswahlschaltung noch weitere vorher erwähnte Bauteile enthalten, wobei wichtig ist, dass z. B. mit einem Jumper 18 eine Impulsdauereinstellung vorgenommen werden kann. Über die Leitung 7 stehen dann die HF- oder wahlweise die LF-Signale für die weitere Auswertung zur Verfügung.
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Wichtig ist, wie die 3 zeigt, dass die Kundenauswerteschaltung oder Kundenschaltung 11 beliebig ausgebildet sein kann, sie kann zum Beispiel als Flow-Computer 26, 27 oder auch als sonstige Kundenauswerteschaltung ausgebildet sein. Hierauf wird später noch näher eingegangen.
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Die 4 zeigt als Beispiel für die Erzeugung der LF-Signale, dass eine relativ lange Pulsdauer aus den Wiegand-Pulsen 31 zu den Zeitpunkten t1, t2 und t3 erzeugt wird. Jeweils die aufsteigende Flanke des Wiegand-Pulses 31 leitet die Signalformung des LF-Signals ein, der damit als Ausgangspuls LF geformt wird und eine bestimmte Dauer hat, wobei die Dauer tLF nicht den Zeitabstand zwischen den Wiegand-Pulsen 31 überschreiten darf.
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Die Wiegand-Pulse 31 sind gleichgerichtet.
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Die gleiche Darstellung zeigt die 5 in analoger Weise, wo erkennbar ist, dass aus den gleichgerichteten Wiegand-Pulsen 31 auch sehr schmale, in der Impulsdauer kurze Ausgangspulse HF mit einer Dauer tHF geformt werden können. Solche Ausgangspulse 32 werden vor allem in schnell drehenden Applikationen verwendet.
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Die 2 zeigt in gestrichelten Linien auch den Vorteil der Erfindung, wo nämlich dargestellt ist, dass die vorher notwendigen Sensoren/Signalgeber 29, die aus einem Sensor und einer Auswerteschaltung bestehen, entfallen können. Anstatt des einzigen batterielosen Zählers 1 hätten beim Stand der Technik die Signalgeber 29', 29'' und 29''' angeordnet werden können.
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Es liegt auf der Hand, dass bei Vorhandensein derartiger Sensoren/Signalgeber 29', 29'' und 29''' zum Teil nur sehr schlecht zu verarbeitende sinusförmige Impulse und Signale erzeugt werden können, die dann zu einer komplizierteren Verarbeitung, meist zur bevorzugten Rechteckimpulsform, in den nachgeschalteten Kundenauswerteschaltungen 25, 26, 27 führen.
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Um solche Nachteile zu vermeiden, ist es dann bekannt, in den Kundenauswerteschaltungen 25, 26, 27 umfangreiche Signalaufbereitungen vorzusehen, was bei der vorliegenden Erfindung entfallen kann. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Signalaufbereitung bereits schon in den batterielosen Zähler 1 verlegt.
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Im Blockschaltbild nach 2 ist dargestellt, dass von der über Jumper eingestellten Impulsdauereinstellung 18 über die Leitung 19 ein Pulslängenblock 21 der HF-Impulse erzeugt wird und über die Leitungen 23, 24 am Ausgang zur Verfügung steht, während über die Leitung 20 ein Pulslängenblock 22 für die LF-Impulse zur Verfügung steht, welche am Anschlusspunkt 16 zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- batterieloser Zähler
- 2
- Wiegand-Sensor
- 3
- Leitung
- 4
- Zählschaltung
- 5
- Leitung
- 6
- Impulswahlschaltung
- 7
- Leitung
- 8
- Leitung
- 9
- Leitung
- 10
- Anzeige- und Auswerteschaltungen
- 11
- Kundenschaltung
- 12
-
- 13
- Widerstand
- 14
- Spannungsquelle
- 15
- Erdleitung
- 16
- Anschlusspunkt
- 17
- Trennglied
- 18
- Impulsdauereinstellung
- 19
- Leitung
- 20
- Leitung
- 21
- Pulslängenblock
- 22
- Pulslängenblock
- 23
- Leitung
- 24
- Leitung
- 25
- Kundenauswerteschaltung
- 26
- Kundenauswerteschaltung
- 27
- Kundenauswerteschaltung
- 28
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- 29, 29', 29'', 29'''
- Signalgeber
- 30
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- 31
- Wiegand-Puls
- 32
- Ausgangspuls
- 33
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6612188 B2 [0006]
- DE 10259223 B3 [0009]
- EP 0658745 B1 [0009]
