DE69003751T2 - Bewegungssensor. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Bewegungssensorvorrichtung zur Ermittlung der Bewegungen von Objekten, mit denen die Vorrichtung verbunden ist, wobei die Vorrichtung derart angeordnet ist, daß sie die Beschleunigungen, denen das Objekt unterliegt, und deren Intensität mißt.
• Bekannte Vorrichtungen zum Ermitteln der Bewegungen von Menschen, Tieren und Objekten, wie sie beispielsweise im Europäischen Patent 0 087 015 beschrieben sind, verwenden häufig sogenannte Quecksilber- und Reed-Schalter. Diese Schalter zeigen eine bestimmte Bewegung an durch Schließen oder unterbrechen eines elektrischen Kontaktes, das durch eine derartige Bewegung verursacht wird. Ferner weist die Bewegungssensorvorrichtung häufig eine Einrichtung zur Identifizierung des Objektes auf. Das Objekt kann auf unterschiedliche Arten identifiziert werden. Ein Weg, dies zu erreichen, ist der Einsatz eines sogenannten Responders gemäß dem Prinzip des Niederländischen Patents 176404 der Anmelderin, worin ein Abfragefeld verwendet wird. Wenn sich der Responder in diesem elektromagnetischen Feld befindet, entzieht der Responder dem Feld eine gewisse Menge an Energie, die er zur Erzeugung eines eindeutigen Codes verwendet. Eine Bedingung in diesem Zusammenhang besteht darin, daß das Abfragefeld ausreichend stark ist.
• Ein Nachteil bekannter Geräte besteht darin, daß für ihren Betrieb eine externe Stromquelle erforderlich ist. Eine derartige externe Stromquelle sollte mit der Bewegungssensorvorrichtung verbunden sein. Insbesondere, wenn die Vorrichtung an Objekten angebracht werden soll, die sich in einem relativ großen Bereich bewegen, können Probleme auftreten. In der Praxis wird die externe Stromquelle meistens durch eine Batterie gestellt. Eine Batterie hat den Nachteil einer begrenzten Lebensdauer, deren Ende nicht immer genau bestimmbar ist. Darüber hinaus besteht bei Verwendung einer Batterie und auch bei Benutzung eines Quecksilberschalters die Gefahr der Verunreinigung und möglichen Vergiftung des Objekts und seiner Umgebung.
• Ein weiterer Nachteil ist, daß die Quecksilber- und Reed-Schalter lediglich die Bewegungen in bezug darauf registrieren, wie oft der elektrische Kontakt geöffnet und/oder unterbrochen wird. Was nicht gemessen werden kann, ist die Intensität der Bewegungen.
• Schließlich sind Quecksilber- und Reed-Schalter teilweise positionsabhängig. Dieser Nachteil ist insbesondere von Bedeutung bei der Messung von Bewegungen von bewegbaren Objekten, die verschiedene Positionen einnehmen können, wie beispielsweise Tiere.
• Ferner offenbart das U.S.-Patent 4 618 861 ein Brunstermittlungssystem, das einen Bewegungssensor aufweist, der elektrische Impulse liefert. Die Impulse werden von einem Zähler gezählt und das Ergebnis der Zählung wird in einer Speichervorrichtung eines drahtlos lesbaren Responders gespeichert. Der Responder weist ferner einen Identifizierungscode auf. Dann werden die Impulse nach Gleichrichtung einem Pufferkondensator zugeführt, der als Spannungsversorgungsquelle wirkt. Die Impulse werden mittels eines Hammers erzeugt, der bei Bewegung der Vorrichtung auf ein piezoelektrisches Element schlägt.
• Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß ein piezoelektrisches Element recht anfällig ist.
• Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß der bekannte Bewegungssensor selbst nicht imstande ist, Energie zu akkumulieren. Daraus ergibt sich, daß langsame Bewegunggen oder solche mit geringer Intensität nicht korrekt ermittelt werden. Tatsächlich wird durch derartige Bewegungen kein Hammerschlag erzeugt oder sie führen dazu, daß eine ungenügende Menge an elektrischer Energie erzeugt wird.
• Das Dokument CH-A-352969 offenbart eine derartige Vorrichtung zum Akkumulieren von Energie, welche jedoch für andere Anwendungsbereiche verwendet wird.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben dargestellten Nachteile und Mängel zu beheben und generell eine effektive und zuverlässige Sensorvorrichtung zu schaffen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Bewegungssensorvorrichtung zur Ermittlung der Bewegungen von Objekten geschaffen, mit denen die Vorrichtung verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine bewegbare Masse umfaßt, deren Bewegungsenergie durch eine elektromechanische Einrichtung in elektrische Signale umgewandelt wird, die einer elektrischen Puffervorrichtung zugeführt werden, um eine elektrische Stromquelle zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanische Einrichtung einen Akkumulator zum Akkumulieren der im Betrieb durch die bewegbare Masse erzeugten mechanischen Bewegungsenergie aufweist, wobei der Akkumulator die akkumulierte Bewegungsenergie freigibt, wenn ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird.
• Eine Bewegungssensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch die Intensität der Bewegungen registrieren. Wenn die Intensität der Bewegungen zunimmt, wird der Schwellenwert relativ häufiger überschritten und infolgedessen die akkumulierte Energie öfter freigegeben. Die freigegebene Energie kann einen Generator antreiben. Der von dem Generator gelieferte elektrische Strom kann in einem Pufferkondensator, beispielsweise einem sogenannten Supercap-Kondensator, gespeichert werden. Jedesmal, wenn der Generator dem Pufferkondensator elektrischen Strom zuführt, wird dieser dem bereits gespeicherten Strom hinzugefügt. Der Strom in dem Pufferkondensator kann kontinuierlich zum Speisen der Sensorvorrichtung verwendet werden.
• Der von dem Generator gelieferte elektrische Strom ist mehr als ausreichend zum Speisen der Sensorvorrichtung. Falls gewünscht, kann der verbleibende Strom zum Speisen weiterer elektrischer Meßgeräte zur Bestimmung von beispielsweise biometrischen Parametern oder zum Speisen von beispielsweise einer Responderschaltung verwendet werden.
• Ein Anwendungsbereich der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung liegt in der Milchwirtschaft, nämlich um zu bestimmen, wann eine Kuh brünstig ist, wobei das Verhältnis zwischen diesem Zustand und der Aktivität oder Motilität der Kuh verwendet wird. Indem beispielsweise gezählt wird, wie viele Male die Bewegungsenergie von dem Akkumulator freigegeben wird, schafft die vorliegende Erfindung einen einfachen Weg zur Bestimmung der erhöhten Mobilität einer Kuh, um anzuzeigen, daß sie brünstig ist.
• Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Messung von Bewegungen während des Transports von Waren. Wenn eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an wertvollen Artikeln angebracht ist, können Bewegungen während des Transports registriert werden und die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung während des Transports kann durch die Vorrichtung ermittelt werden. Beispielsweise können medizinische Geräte gegenüber starken Kräften sehr empfindlich sein. Im Zusammenhang mit der Zuverlässigkeit derartiger Geräte im Betrieb kann es interessant sein, die Möglichkeit zu haben, festzustellen, ob die Geräte tatsächlich während des Transports derartigen Kräften ausgesetzt waren. Bei anderen Waren, wie Obst, kann es wichtig sein, Bewegungen zu registrieren, möglicherweise zusätzlich zu anderen Werten, wie der Temperatur, im Zusammenhang mit Lagerungseigenschaften.
• Wie vorstehend angemerkt, ist es oft erforderlich, daß ein Objekt, falls diesbezüglich Messungen vorgenommen worden sind, identifizierbar ist. Ein für diesen Zweck verwendeter elektronischer Responder kann derart angeordnet sein, daß zusätzlich zu dem eindeutigen Code des Objektes die gespeicherten Resultate der Messungen durch das Abfragefeld dem Sender/Empfänger zugeführt werden. Die verbleibende Energie in dem Pufferkondensator kann auch zur Versorgung des Responders mit der für die erwähnten Funktionen erforderlichen Energie verwendet werden, so daß der Responder dem Abfragefeld relativ wenig Energie, wenn überhaupt, zu entnehmen braucht. Auf diese Weise kann der Responder beispielsweise schon aus größerer Entfernung erkannt werden oder ein weniger starkes Abfragefeld kann Anwendung finden.
• Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Aktivitätsmeßgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, wird die Erfindung im folgenden ausführlicher beschrieben.
• Die beigefügte Zeichnung zeigt eine Masse 1, die über einen Arm 16 und eine Welle 2 mit einem Getriebe 3,17 verbunden ist. Die Masse 1 ist imstande, sich in einer Ebene zu drehen, die sich quer zu der Zeichnungsebene erstreckt. In einer gegebenen Position des Meßgerätes dreht sich die Masse um die Welle 2 durch Schwerkraft abwärts. Das Getriebe 3,17, das bei diesem Beispiel ein Zahnradgetriebe ist, bewegt dann eine Welle 6. Durch die Bewegung der Masse wird eine mit der Welle 6 verbundene Feder 4 in zunehmendem Maße gespannt. Die Verbindung der Welle 6 mit der Feder 4 ist bei dem Bezugszeichen 18 schematisch dargestellt. Das Gewicht der Masse 1 hält die Feder in gespanntem Zustand. Die Lager der Wellen 2 und 6 sind nicht dargestellt. Ein Magnet 5, der bei 19 mit der Feder 4 verbunden ist und derart magnetisiert ist, daß er beispielsweise 14 Pole aufweist, wird durch die vorherrschenden magnetischen Kräfte zwischen dem Magnet 5 und den Statorteilen 8 und 9 in Position gehalten. Das Magnetfeld erstreckt sich über die Statorteile 8 und 9, die ebenfalls beispielsweise 14-polig sind. Zwischen den beiden Statorteilen 8 und 9 ist eine Spule 7 angeordnet. Wenn die von der Feder 4 auf den Magneten 5 ausgeübte Kraft einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt und so die Magnetkraft zwischen dem Magneten 5 und den Statorteilen übersteigt, wird der Magnet veranlaßt, um die Welle 6 zu rotieren. Bei jeder Drehung wird der Magnet an den 14 Polen der beiden Statorteile entlangbewegt. Dadurch wird in der Spule 7 ein variierender Magnetfluß geschaffen und in der Spule eine elektrische Spannung erzeugt.
• Es hat sich herausgestellt, daß geringfügige Bewegungen oder Beschleunigungen die Masse 6 bewegen und so die Spannung der Feder erhöhen, doch nicht unmittelbar ein Übersteigen des Schwellenwertes bewirken. Nur wenn nach einer Anzahl derartiger geringfügiger Bewegungen oder Beschleunigungen der Schwellenwert überschritten ist, wird durch die Magnet-/Spulen-Kombination eine elektrische Spannung erzeugt, die als Dynamo wirkt. Entsprechend wirkt die Feder als mechanischer Akkumulator für geringfügige Bewegungen und Beschleunigungen.
• Durch einen Gleichrichter, beispielsweise eine Brückengleichrichterschaltung 10, werden die durch den variierenden Fluß in der Spule erzeugten elektrischen Impulse gleichgerichtet und als Ladung in einem Supercap-Kondensator 11 gespeichert. Folglich steigt die Spannung an dem Kondensator langsam an. Diese Spannung kann als Versorgungsspannung für die Aktivitätsmessung verwendet werden. Die verbleibende Spannung an dem Kondensator 11 kann verwendet werden, um den elektrische Energie verbrauchenden anderen Geräten, beispielsweise einer Responderschaltung 13, Spannung zuzuführen. Ein Teil der von dem Generator erzeugten elektrischen Impulse wird vor der Gleichrichterschaltung 10 abgezogen und über eine Leitung 20 einer Aktivitätsmeßschaltung 12 zugeführt. Anhand der Anzahl der elektrischen Impulse kann über die Aktivitätsmeßschaltung die Aktivität mittels eines nicht dargestellten externen Computers bestimmt werden. Die Schaltung 12 kann beispielsweise einen Binärzähler aufweisen. Die von der Aktivitätsmeßschaltung registrierten elektrischen Impulse werden über eine Datenleitung 14 an eine Responderschaltung 13 weitergegeben. Anschließend sendet die Responderschaltung diese Daten bei Vorhandensein eines Abfragefeldes durch eine Antenne 15 zu einem nicht dargestellten Sender/Empfänger, zusammen mit einem Code, der für diese Vorrichtung einzigartig ist.
• Nach der Lektüre des Vorstehenden werden für den Fachmann verschiedene Modifizierungen offensichtlich sein. So bestünde die Möglichkeit, die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit auszuwählen, oder als Motilitätsmessung zu zählen, wie oft der Magnet in Drehung versetzt wird. Ferner sind verschiedene Arten der Transmission zwischen der Masse 1 und der Welle 6 vorstellbar.

Claims (8)

1. Bewegungssensor zur Ermittlung der Bewegungen von Gegenständen, mit denen der Sensor verbunden ist, wobei der Sensor eine bewegliche Masse (1) umfaßt, deren Bewegungsenergie durch elektromechanische Mittel in elektrische Signale umgewandelt wird, die einem elektrischen Pufferorgan (11) zugeführt werden, um eine elektrische Stromquelle zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Mittel einen Akkumulator (4) für durch die bewegliche Masse (1) im Betrieb erzeugte mechanische Bewegungsenergie umfassen, welcher Akkumulator (4) die gespeicherte Bewegungsenergie freigibt, wenn ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator (4) für mechanische Bewegungsenergie eine Feder umfaßt, die mit einem Magnet (5) verbunden ist, welcher Magnet unter dem Einfluß von Magnetkräften in Ruhelage gehalten wird.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Mittel eine Übertragung (3,17) zwischen der beweglichen Masse (1) und einem fest mit dem einen Ende einer Spiralfeder (4) verbundenen, drehbar angeordneten Organ (6) umfassen, sowie einen mit dem anderen Ende der Spiralfeder verbundenen drehbaren Magnet (5), wobei nahe dem Magnet (5) mindestens ein Statororgan (8,9) vorgesehen ist, das mit wenigstens einer Spule (7) versehen ist, die bei drehendem Magnet ein elektrisches Signal erzeugt.

4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (5) ein mehrpoliger Magnet ist.

5. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Statororgan (8,9) ein mehrpoliger Stator ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (7) über einen Gleichrichter (10) mit einem oder mehreren elektrische Energie verbrauchenden Kreisen und mit dem Pufferorgan (11) verbunden ist und daß die Spule unmittelbar mit einem Aktivitätsmeßkreis (12) verbunden ist, um den Aktivitätsmeßkreis mit elektrischen Impulsen zu versehen.

7. Sensor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mit einem Identifizierungscode versehenen und mit dem Aktivitätsmeßkreis verbundenen elektronischen Responderkreis (13), der sowohl den Identifizierungscode als auch das durch den Aktivitätsmeßkreis erzeugte Signal erzeugt.

8. Verwendung eines Bewegungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Registrierung der Bewegungen verletzlicher Waren während ihres Transports.