-
Einrichtung zur Fernbestimmung der Winkellage, Geschwindig-
-
keit und/oder Drehrichtung von Drehkörpern Die Erfindung bezieht sich
auf eine Fernmeldeeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage, der Geschwindigkeit
und/oder der Drehrichtung von.Objekten wie Wellen, Scheiben, Drehzähler, Zeiger
oder dergleichen. Im einzelnen betrifft die Erfindung die Erzeugung eines elektrischen
Signals, das von der Winkellage, der Geschwindigkeit oder der Drehrichtung eines
Objektes bestimmt wird, um dieses anzuzeigen ohne Eingriff in die Struktur des Gegenstandes
oder eine Verbindung mit einem Meßgerät oder dergleichen. In dieser Hinsicht enthält
diese Erfindung eine wesentliche Verbesserung des früheren magnetischen beeinflußten
Lesesystems, wie es in dem US-PS 3 500 365 beschrieben ist.
-
In elektrischen Verbraucher systemen muß eine ausreichende Stromversorgungskapazität
vorgesehen werden, um eine Antriebskraft auch während nur relativ kurzer Perioden
des maximalen Verbrauchs zu liefern, wobei viele von diesen Einrichtungen ungenutzt
für einen großen Teil des Tages bleiben. Um einen zu hohen Energiebedarf während
der Maximalbedarfsperiode durch abgestufte Tarife zu verhindern oder jeweils unwesentliche
Teile einer Verbraucherlast abzuschalten, wenn der Verbraucher einen vorher vereinbarten
Abnahmewert im Vergleich zu der maximal erzeugten Kapazität des Versorgungsunternehmens
überschreitet, ist eine rasche Feststellung der individuellen Verbraucherraten jedes
Abnehmers, allgemein bezeichnet mit "Bedarf" (demand), über ein vorbeschriebenes
Zeitintervall notwendig.
-
Bisher waren solche Bedarfsmessungen im allgemeinen nur durch die
Verwendung von speziell ausgerüsteten Meßgeräten möglich, welche im allgemeinen
auf ein festes Zeitintervall begrenzt waren und die nicht geeignet sind zur bertragung
der Bedarfinformationen zu einer Lastanzeigestation rechtzeitig, um in der Station
Korrekturen durchführen zu können. Es wurden zwar erhebliche Abstrenungen zur Schaffung
von Einrichtungen zum Fernablesen von Meßgeräten, beispielsweise über Telefonleitungen
oder dergleichen gemacht. Die meisten von solchen bekannten Meßwertablesr erfordern
an den Meßgeräten selbst mechanische oder elektrische Veränderungen. Beachtliche
Zeit und Kosten wurden aufgewendet für einen Einsatz von abgeänderten Meßgeräten.
Darüberhinaus verhinderte die Verwendung von elektrischen Schleifkontakten in bekannten
Meßgeräte-Ableseeinrichtungen
die Verwendung dieser Geräte in explosionsgefährdeten Räumen. Auch in bestimmten
Beispielen wurden Änderungen in den Ausgangssignalen festgestellt aufgrund der Alterung
der Bauteile, wodurch sich die mechanischen und/oder elektrischen Charakteristiken
verändern können.
-
Andere Meßgeräte-Ableseeinrichtungen verwenden fotoelektrische Zellen,
so daß keine mechanische Verbindung zwischen dem Meßgerät und dem Lesegerät notwendig
ist. Jedoch sind diese Ableseeinrichtungen nicht zufriedenstellend, weil eine zuverlässige
Lichtquelle vorgesehen werden muß und die Oberfläche der fotoelektrischen Zelle
muß ausreichend sauber gehalten werden, so daß das auf die fotoelektrische Zelle
auftreffende Licht zu stark abgeschwächt wird, was eine falsche Wiedergabe zur Folge
hätte.
-
Mit der Einrichtung nach der Erfindung können konventionelle Meßgeräte
durch die lastanzeigende Station mit extremen Geschwindigkeiten abgelesen werden,
wobei ein Ablesen von mehreren Meßgeräten während einer kurzen Zeitperiode zugelassen
wird, ebenso wie verschiedene Abtastwerte von jedem Meßgerät1 um die statistische
Sicherheit der Ablesevorgänge zu erhöhen. Damit kann das Versorgungsunternehmen
nicht nur den totalen Energieverbrauch durch irgend einen individuellen Abnehmer
während einer normalen Abrechnungsperiode bestimmen, sondern es kann seine Bedarfsrate
während jedes gewünschten Zeitintervalls anzeigen unter Verwendung irgend eines
bekannten Meßgerätes, gleichgültig ob es als Bedarfsmeßgerät ausgerüstet ist oder
nicht.
-
Die Einrichtung gemäß der Erfindung enthält eine elektrische Obertragereinheit,
welche die Zeigerlage von einen Drehzahlmesser zu irgend einer Teil zeit anzeigt
ohne eine mechanische Verbindung zu dem Meßgerät zu benötigen und ohne den Einsatz
von unzuverlässigen Einrichtungen, wie beispielsweise fotoelektrischen Zellen. Die
einzige Verbindung mit dem Meßgerät wird durch ein elektrisches Feld hergestellt.
In vielen Fällen, in denen das Meßgerät unter Glas eingebaut ist, kann das elektrische
Feld durch das Glasgehäuse dringen ohne eine Bohrung in dem Gehäuse oder Meßgerät
anzubringen, um den übertrager gemäß der Erfindung zu installieren. Bei Abtastung
der Zeigerplatte des Meßgerätes, wie nachfolgend beschrieben, kann ein elektrisches
Drehfeld ohne Verwendung mechanischer Teile, welche relativ zueinander induziert
werden, bewegt werden müßten, wodurch mögliche Störungen in die Ableseeinrichtung
reduziert werden. Auch existieren keine funkenerzeugende Schalter und deshalb kann
die Einrichtung auch in explosionsgefährdeten Räumen verwendet werden.
-
Während die in meiner früheren US-PS 3 500 365 beschriebene Einrichtung
eine Vielzahl von felderzeugenden Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes
benötigt und eine Lesespule im Inneren der felderzeugenden Spulen verwendet, setzt
die Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Feld an die Stelle
des magnetischen Feldes.
-
Zu diesem Zweck werden die felderzeugenden Spulen ersetzt durch Elektroden,
wobei gegenüberliegende Paare von Elektroden verbunden sind mit aufeinanderfolgenden
Phasen einer mehrphasigen Spannungsquelle in einer solchen Weise, daß ein rotierendes
elektrisches Feld längs der Reihe der kreisförmig angeordneten Elektroden erzeugt
wird. In einer ähnlichen
Weise wird die Ablesespule ersetzt durch
eine Elektrode an derselben zentralen Stelle. Irgend eine andere Ausführung eines
Abtasters für ein elektrisches Feld, wie beispielsweise ein geeigneter Transistor
könnte ebenso verwendet werden. Die Ableseelektrode ist mit einem Spannungsdetektor
in einer solchen Weise verbunden, daß der Zeitverlauf oder die Phase des elektrischen
Feldes in der Umgebung der Ableseelektrode angezeigt werden kann.
-
Eine derartige Einrichtung hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber
der magnetischen Ausführung, wie sie in dem vorqenannten Patent beschrieben ist.
Zunächst ist der Aufbau des elektrischen Feldes mit einfacheren und billigeren Mitteln
im Gegensatz zu den relativ teuren Spulen möglich. Auch wird nur ein geringerer
Raumbedarf durch die Beseitigung der Spulen benötigt und bei Anwendungen in Verbrauchmeßgeräten
verursacht die geringere Größe weniger Störung eines visuellen Ablesens der Ablesescheiben.
Geringere elektrische Energie wird benötigt, da das elektrische Feld mit geringeren
Strömen als ein magnetisches Feld erzeugt werden kann. Ebenso ist, da nur ein geringeres
Feld benötigt wird, um die Lage des Objektes mit einem elektrischen Feld anzuzeigen,
die Gefahr der Beeinflussung des Meßgerätes oder der Einrichtung, die abgelesen
werden soll, durch ein starkes Feld dabei verringert. Das drehbare Glied gemäß der
vorliegenden Erfindung muß nicht magnetisch leitend sein, wie bei der früheren Einrichtung.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung kam bei irgend einen Drehglied aus Metall, Keramik,
Plastik oder anderen Materialien eingesetzt werden, wenn nur der Meßzeiger eine
dielektrische Konstante aufweist, die wesentlich differiert von dem des umgebenden
Mediums, wie Luft, Gas oder Wasser.
-
Diese und andere Merkmale und Vorteile gemäß der Erfindung werden
mehr verstänalich durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden
Zeichnunsen, In diesen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein schematisches Diagramm mit
einem Übertrager gemäß der Erfindung in Verbindung mit dem Steuerkreis und einem
Aufzeichnungskreis dafür, Fig. 2 ein schematisches Verdrahtungsdiagramm der Verbindung
des Übertragers mit dem Ablesekreis und Fig. 3 eine Frontansicht des übertragers
analog des schematisch in Figuren 1 und 2 gezeigten, jedoch mit der Ausnahme, daß
das abzulesende Meßgerät fünf Anzeigescheiben besitzt.
-
In allgemeinen Worten ausgedrückt,besitzt die vorliegende Erfindung
Schaltglieder zur Erzeugung eines elektrischen Drehfeldes mit Ablesegliedern im
Inneren des Drehkreises des elektrischen Feldes. Normal würde kein Feld induziert
werden in den Ablesegliedern, weil die Vector-Summe von allen Spannungen, die von
den Ablesegliedern aufgenommen werden von allen Punkten Null ist. Jedoch wenn diese
gegenübereiner Meßgerätescheibe oder einem anderen Drehglied so angeordnet sind,
daß der Spannungsdetektor oder das Ableseglied ausgerichtet ist mit der Meßgerätewelle,
tritt ein Differenzwert auf. Der Meßgerätezeiger, dessen Dielektrlzitätskonstante
unterschiedlich ist von derjenigen des umgebenden Mediums, erzeugt einen Flußweg
zwischen der Meßgerätezeigerlage und den Ableseglied. Wenn das elektrische Feld
durch den Meßgerätezeiger
oder das rotierende Glied fließt, das
Material von dem Meßgerätezeiger erzeugt einen Flußweg (kapazitive Kopplung) zu
dem Ableseglied, welches dann eine sinusoidale Spannung, deren Phase (relativ zu
der Eingangsphase) direkt proportional zu der Winkellage des Zeigers ist. Das Signal
kann dann durch irgend eine von verschiedenen gut bekannten Anzeigesystemen angezeigt
werden, um die Winkellage des rotierenden Gliedes oder Zeigers wiederzugeben, oder
wenn gewünscht, die Geschwindigkeit und/cder die Drehrichtung des rotierenden Körpers
um seine Drehachse anzuzeigen.
-
In Figur 1 ist ein Übertrager allgemein bezeichnet mit 10, welcher
gegenüber der Anzeigefläche eines Meßgerätes 11 mit einem Zeiger 12 angeordnet ist.
Ein Ableseglied 14 in der Form von einer Elektrode oder eine andere Abtasteinrichtung
für ein elektrisches Feld, wie beispielsweise ein Transistor ist in der Mitte des
Übertragers 10 angeordnet.Das Ableseglied sind verbunden über die Leitung 15 mit
dem Phasenvergleichskreis 13 in einer üblichen und allgemein bekannten Ausführung.
-
Der übertrager ist auch so angeordnet, daß die Drehachse des elektrischen
Feldes in Verlängerung der Drehachse des Zeigers 12 liegt. Die Leitungen 16 kommen
von einer elektrischen Spannungsquelle (allgemein einphasig), wie beispielsweise
einer elektrischenStarkstromleitungoder dergleichen. Eine Signalanzeigeeinrichtung
17 von üblicher Ausführung ist vorgesehen, um eine routine Spannungsänderungen,
welche auf den Drähten 16 auftreten, zu unterdrücken, aber anzuzeigen spezielle
Spannungsmuster (welche überlagert sein können durch die Fernschaltanlage und welche
eine Anfrage für eine Meßgeräteablesung auslösen können). Die Einrichtung
enthält
hierzu eine Schalteinrichtung wie beispielsweise eines Relais L1. Mit dieser Anordnung
eines Relais Ll oder einer anderen Schalteinrichtung kann der Übertrager von Ferne
eingeschaltet werden.
-
Die Leitung 16 speist einen Phasenteiler 18. Der Phasenteiler 18 konvertiert
die Einzelphasenspannung in eine Vielzahl von Phasen, z.B. drei Phasen, um das elektrische
Drehfeld zu erzeugen.
-
Es ist zu ersehen, daß, wenn eine Ablesung des Meßgerätes 11 gewünscht
wird, ein Abfragesignal über die Leitung 16 gegeben wird, welches den Signalanzeiger
veranlaßt das Relais L1 zu erregen und den Relaiskontakt L1-t zu schließen.
-
Wenn dieser Kontakt L1-1 geschlossen wird, wird die Einphasenspannung
über die Leitung 16 durch den Phasenteiler in eine Vielphasenspannung, im Beispiel
in eine Dreiphasenspannung umgeformt. Als ein wesentliches Merkmal wird aus den
Mehrphasenspannungen ein elektrisches Feld erzeugt, das um die Oberfläche des Übertragers
16 läuft. wenn das Drehfeld den Zeiger 12 kreuzt oder parallel zu ihm verläuft,
wird eine Spannungsänderung in dem Ableseglied 14 induziert, von welchem einfach
erwartet wird, eine Anzeige zu geben, daß der Zeigerzähler abgetastet wurde. Es
ist nicht notwendig, daß der Zeiger 12 magnetisiert wird oder elektrisch leitfähig
ist, solange, wie die Dielektrizitätskonstante von dem Material, von welchen der
Zeiger 12 geformt ist, sich wesentlich von derjenigen des umgebenden Mediums unterscheidet.
Jegliches Material, wie beispielsweise Metall, Keramik oder Plastik kann allgemein
verwendet werden.
-
Anhand der Figur 2 der Zeichnung wird der Schaltkreis nun in weiteren
Details erläutert. Es ist zu ersehen, daß die Leitung 16 verbunden ist durch den
Relaiskontakt L1-l mit dem Phasenteiler 18. Die Einzelheiten des Phasenteilers 18
sind hier nicht gezeigt, da eine derartige Einrichtung üblich und allgemein den
Fachleuten bekannt ist. Es ist zu ersehen jedoch, daß der Phasenteiler 18 eine Mehrphasenspannung
erzeugen kann, das ist eine Spannung aus zwei phasen, drei Phasen oder irgend einer
anderen Anzahl von phasen. Eine Dreiphasenspannung ist möglicherweise vorzuziehen,
weil eine Dreiphasenspannung regelmäßig verfügbar ist von üblichen Stromversorgungsleitungen,
so daß ein Phasenteiler 18 nicht benötigt wird, wznn eine Dreiphasenspannung verfügbar
ist von der Stromversorgung. Dann müßten drei Kontakte anstelle des Kontaktes L1-1,
nämlich je ein Kontakt in jeder der Dreiphasenleitungen vorgesehen werden und der
Phasenteiler 18 könnte ersetzt werden durch Drei-Phasen-Inverter, so daß der Eingang
zu dem übertrager 10 bestehen würde aus drei Originalphasen und drei Inversionen
davon.
-
Die sechs vpn dem Phasenteiler 18 kommenden Leitungen sind mit A,
B, C, -A, -B und -C bezeichnet, wodurch auch die positive und negative Polarität
der drei Phasen A, B und C angezeigt wird. Es ist zu sehen, daß die Leitung A mit
der Elektrode 25, die Leitung -A mit der Elektrode 22 verbunden ist, wobei diese
zwei Elektroden diametral auf dem übertrager 10 angeordnet sind. Ebenso ist die
Leitung B mit der Elektrode 21 und die Leitung -B mit der gegenüber diametral angeordneten
Elektrode 24 und entsprechend die Leitung C mit der Elektrode 20 und die Leitung
- C mit der diametral gegenüber angeordneten Elektrode 23 verbunden. Die diametral
angeordneten Elektrodenpaare 20, 23; 21, 24; und 22, 25 sind
jeder
verdrahtet mit einer Elektrode, z.B. 20 ist verbunden mit der positiven Seite von
einer Phase (beispielsweise Phase C) während die andere Elektrode, beispielsweise
23 verbunden ist mit der negativen Seite von derselben Phase.
-
Deshalb besitzt die Spannung an beiden Elektroden entgegengesetzte
Polarität an jeder von den zwei Elektroden von dem Elektrodenpaar, so daß ein elektrisches
Feld erzeugen wird zwischen jedem Elektrodenpaar 20, 23; 21, 24 und 22, 25.
-
Mit dieser Anordnung ist dem Fachmann ersichtlich, daß, wenn die Phase
C ihre Scheitelspannung erreicht, daß dann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden
20 und 23,eine von den ist Elektrodentpositiv geladen und die andere negativ geladen,
auftritt. Einhundertzwanzig (120°) elektrische Phasengrade später, wenn die Phase
B ihre Scheitelspannung erreicht,dann wird ein kräftiges elektrisches Feld zwischen
den Elektroden 21 und 24 auftreten, wobei eine der Elektroden positiv geladen und
die andere negativ geladen ist. Dieselbe Situation tritt auf bei den Elektroden
22 und 25, wenn die Phase A ihren Scheitelwert erreicht. Dadurch wird ein elektrisches
Drehfeld geschaffen.
-
In der geometrischen Mitte von den ringförmig angeordneten Elektroden
20 bis 25 und in Verlängerung mit der Drehachse des Zeigers 12 ist das Ableseglied
14 in Form einer Elektrode oder eines anderen elektrischen Feldabtastmittels, wie
beispielsweise eines geeigneten Transistors, angeordnet.
-
Folglich tastet, elektrisch gesprochen, der Meßgerätezeiger 12 das
elektrische Feld in der Position seiner Anzeigestellung ab und erzeugt eine kapazitive
Kopplung zwischen dieser Lage und der Mittelektrode, welche dann eine Spannung
erzeugt,
deren Phase (relativ zu der Phase von der Spannung, die auf die entsprechende Elektrode
angelegt wird) direkt proportional zu der Winkellage des Zeigers ist. In einigen
Anwendungsfällen der Erfindung, oder beim Ablesen von Versorgungszählern, kann es
wünschenswert sein, die Geschviindigkeit und/oder die Richtung der Bewegung des
Drehkörpers zu messen. In solchen Fällen wird der Sinuswellenausgang der Mittelelektrode
verzerrt und die Geschwindigkeit und Richtung des rotierenden Gegenstandes kann
ermittelt werden aus dem Wert und der Form der Verzerrung.
-
Der Übertrager 10 ist in Fig. 3 gezeigt, welche schematisch eine Einrichtung
zur Ablesung eines Meßzählers mit fünf Stellen wiedergibt. Eine Trägerplatte 29
in der bevorzugten Form einer gedruckten Schaltplatte enthält fünf Sätze 40, 42,
44, 46 und 48 von im Kreis angeordneten Elektroden 20 bis 25 auf ihrer Oberfläche,
von denen jeder Satz einer von den Meßscheiben entspricht. Die kleinen Nummern 0-9
auf der Oberfläche von jedem Satz von Elektroden wird dargestellt nur von den entsprechenden
(nicht dargestellten) Meßgeräteanzeigeflächen, welche gegenüber den Elektroden angeordnet
sind. Gedruckte Leiter oder Führungen 30 erstrecken sich von jeder der Elektroden
20 bis 25 zu einer von einer Vielzahl von Durchführungsverbindungen 32, welche ihrerseits
verbunden sind mit einer der gemeinsamen Leitungen, die mit +A, +B, +C, -A, -B,
-C bezeichnet sind und die Phase der Eingangsspannung bezeichnen und auf der Rückseite
der Platte 29 aufgedruckt sind. Schließlich sind jede von den Ableseelektroden 14,
welche auf die Oberfläche der Platte 29 aufgedruckt sind, verbunden zu einer der
Leitungen 1,2,3,4,5 auf der Rückseite, von denen jede durch eine Schalteinrichtung
nacheinander
verbunden werden kann zu dem Phasenvergleicherkreis 13 durch eine Leitung 15. In
Figur 3 gibt eine durchgezogene Leitung einen Verbindungsweg auf der Oberseite der
Platte 29 wieder, während eine gestrichelte Leitung einen Leitweg auf der Rückseite
anzeigt.
-
Bei der vorbeschriebenen Anordnung kann gesehen werden, daß üblicherweise
das elektrische Feld einen Kreis von einen der Elektroden (beispielsweise von der
Elektrode 20) zu der diametral angeordneten Elektrode (Elektrode 23) nimmt. MEnn
der Zeiger 12 beispielsweise gegenüber der Elektrode 20 zu liegen kommt, wird das
elektrische Feld durch diesen fließen und als Ergebnis der Anwesenheit des Materials
des Zeigers 12 wird eine Spannung in der Ableseelektrode 14 induziert.
-
Diese Anderung in der Spannung kann leicht angezeigt werden durch
bekannte Techniken1 um entweder anzuzeigen die Winkellage, die Geschwindigkeit oder
die Drehrichtung des Zeigers 12. Von spezieller Wichtigkeit ist die Phasendifferenz
(Zeitlage zwischen den Scheitelspannungen) zwischen der induzierten Spannung in
der Abtastelektrode 14 und der Spannung, die an eine der Elektroden 20 bis 25 gelegt
wird. Diese Phasendifferenz, welche durch eine üblichen Phasenvergleichskreis 13
gemessen wird, wird von der Winkellage des Zeigers 12 hinsichtlich zu irgend einer
vereinbarten Vergleichsrichtung bestimmt (beispielsweise zu der senkrechten Linie
zur Verbindung der Abtastelektrode 14 mit der Elektrode 23). Sie kann eingebracht
werden in die Versorgungsleitung durch eine übliche Anpaßschaltung 19,um von der
Verrechnungsstelle empfangen zu werden am Abfrageplatz.
-
Somit ist eine verbesserte Einrichtung zur Fernbestimmung der Winkellage,
Geschwindigkeit und/oder Drehrichtung von Gegenständen angegeben unter Verwendung
eines elektrischen Drehfeldes. Dabei können, wie leicht verständlich ist, einzelne
zum Zwecke der Erläuterung beschriebenen Einrichtungen in verschiedener Weise abgewandelt
werden. Beispielsweise kann die Schaltplatte 29 nur mit einer Elektrode versehen
werden und rotieren mit einer stationären Elektrode im Bereich der 12 Uhr-Position
ähnlich einer Ausführungsform, wie sie in Figur 5 meines früheren Patentes US-PS
3 500 365 beschrieben ist Viele andere Abänderungen und Modifikationen können gemacht
werden.
-
- Patentansprüche -