УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕМКОСТНОГО СЧИТЫВАНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ЭЛЕМЕНТА
DEVICE AND METHOD FOR CAPACITANCE READING OF ROTARY MOTION OF ROTARY ELEMENT

Изобретение относится к устройству и способу емкостного считывания вращательного движения вращающегося элемента, причем устройство имеет четыре расположенных в одной плоскости электрода, подключенное к электродам устройство обработки данных и электропроводящую связующую поверхность. Связующая поверхность расположена на вращающемся элементе напротив электродов и используется для емкостной связи электродов.
Электроды включают в себя центральный возбуждающий электрод, вокруг которого расположены остальные электроды, причем связующая поверхность в любом положении поворота расположена напротив поверхности возбуждающего электрода и, по существу, его перекрывает. Кроме того, связующая поверхность перекрывает часть образованной другими электродами поверхности и при вращении вращающегося элемента перемещается над различными областями образованной этими другими электродами поверхности. Благодаря этому в любом положении поворота связующей поверхности между возбуждающим электродом и электропроводящей связующей поверхностью, на которой после образования связи возбуждающим электродом распределяется заряд, образуется одинаковый по действию конденсатор. Этот распределенный на связующей поверхности заряд в зависимости от положения поворота переносится на расположенные напротив связывающей поверхности электроды, которые расположены вокруг возбуждающего электрода. За счет этого между электродами, которые в определенном положении поворота расположены напротив друг друга, образуется конденсатор. Индуцируются электроны, которые могут быть обнаружены посредством сигнала по напряжению на электродах.
Для возможности определения положения поворота вращающегося элемента с помощью связующей поверхности с разверткой по времени устройство обработки данных имеет подключенную к возбуждающему электроду возбуждающую схему для выработки возбуждающих импульсов с заданной частотой и подключенную к остальным электродам схему обработки данных для приема приложенных к электродам сигналов по напряжению и для сравнения этих сигналов по напряжению.
Подобные устройства для емкостного считывания часто используются в счетчиках расхода, прежде всего в водяных счетчиках, а также в электросчетчиках и газовых счетчиках, у которых расход расходуемой среды через чувствительный элемент преобразуется во вращательное движение. Это вращательное движение затем через сцепление, редуктор и/или вал передается на вращающийся элемент устройства, на котором расположена связующая поверхность.
У водяного счетчика для регистрации потока чаще всего служит лопастное колесо. Вращательное движение лопастного колеса в расходомере является мерой объемного потока и может быть зарегистрировано через электрические свойства вращающегося элемента в устройстве согласно изобретению. Это происходит посредством односторонне электропроводящего металлического покрытия вращающегося элемента, которое имеет особо подходящую связующую поверхность и емкостно связано с электродами датчикового устройства, которые расположены неподвижно.
Пример подобного емкостного считывания описан в EP 1785732 A1, в котором показано устройство для обнаружения вращения вращающегося элемента с предусмотренной на, по существу, плоской поверхности вращающегося элемента электропроводящей частичной поверхностью и одним неподвижным датчиковым элементом с возбуждающим электродом и по меньшей мере двумя расположенными по соседству с возбуждающим электродом приемными электродами. Электроды находятся на расстоянии от электропроводящей частичной поверхности и при вращении вращающегося элемента через электропроводящую частичную поверхность являются емкостно связываемыми с возбуждающим электродом.
Используемые в устройстве средства обнаружения включают в себя источник напряжения для подачи на возбуждающие электроды импульса напряжения, напряжение которого выше, чем рабочее напряжение находящейся в распоряжении устройства батареи, а также средства оценки для снятия выработанных благодаря емкостной связи на основании импульсов напряжения приемных сигналов по меньшей мере двух приемных электродов. Кроме того, предусмотрено средство сравнения для выработки сигнала, указывающего на основании приемных сигналов на положение частичной поверхности относительно приемных электродов. Посредством величины импульса напряжения, поданного на возбуждающий электрод, могут быть уменьшены мешающие эффекты от внешних электрических полей или колебаний полей. Это позволяет отказаться от описанных в похожем устройстве согласно EP 1033578 B1 компенсационных электродов с соответствующими электронными схемами.
Согласно идее EP 1785732 A1 с помощью двух электродов могут быть обнаружены два разных положения вращающегося элемента. Однако для возможности определения направления вращения должны быть обнаружены четыре разных положения вращающегося элемента. Для этого тогда необходимы четыре приемных электрода.
Обнаружение сигналов по напряжению этих четырех электродов требует большего использования электронных схем и сравнительно много монтажного пространства для электродов и ведущих к устройству обработки данных соединительных линий. Это монтажное пространство как раз при использовании устройства согласно изобретению в счетчиках расхода часто отсутствует, так как монтажное пространство в счетчиках расхода ограничено.
Поэтому задачей настоящего изобретения является предложение предпочтительной возможности емкостного считывания вращательного движения вращающегося элемента, при которой затраты на обработку данных могут быть уменьшены, а монтажное пространство для системы электродов может быть выполнено в целом особо малым.
Эта задача согласно изобретению у устройства описанного вначале вида решена за счет того, что остальные окружающие возбуждающий электрод электроды образованы двумя электродами-датчиками и общим базовым электродом, причем, по меньшей мере, общий базовый электрод выполнен отличным от электродов-датчиков. Кроме того, устройство обработки данных выполнено так, что образуется разность сигналов по напряжению между одним из обоих электродов-датчиков и общим базовым электродом. Таким образом, формируются два разностных сигнала как между первым из обоих электродов-датчиков и общим базовым электродом, так и между вторым из обоих электродов-датчиков и общим базовым электродом.
Поэтому в противоположность уровню техники в настоящем изобретении должны оцениваться только три сигнала электродов, которые объединяются в два разностных сигнала. Это упрощает схему и делает возможным использовать имеющееся в распоряжении монтажное пространство для меньшего количества электродов, которые таким образом - несмотря на меньшую занимаемую площадь - все-таки могут иметь большую площадь электродов и благодаря этому достигать большей емкостной связи с увеличенными сигналами по напряжению. Благодаря этому в целом уменьшается чувствительность к помехам и уменьшается необходимая занимаемая площадь.
За счет того что общий базовый электрод выполнен отличным от электродов-датчиков, благодаря образованным согласно изобретению разностным сигналам получаются два сдвинутых по фазе сигнала, из которых может быть сделан вывод о направлении вращения вращающегося элемента. Отличающееся от электродов-датчиков выполнение базового электрода приводит, прежде всего, к асимметричному расположению, при котором перекрытая базовым электродом угловая область относительно предпочтительно совпадающей с осью вращения связующей поверхности центральной точкой возбуждающего электрода отличается от углового перекрывания электрода-датчика или каждого из электродов-датчиков. За счет этого достигается, что сдвиг фазы между обоими сигналами не составляет ни 0, ни 180° и, тем самым, возможно различение направления вращения на основании асимметрии расположения с соответствующим заданием размера и положения остальных электродов вокруг возбуждающего электрода.
Для достижения низкой чувствительности к помехам сигналов по напряжению электродов-датчиков или базового электрода величина импульса возбуждения или импульсов напряжения, который подводится к возбуждающему электроду, составляет предпочтительно примерно 30-35 В, то есть соответствует примерно 10-15-кратной величине напряжения батареи питания устройства согласно изобретению, которое типично находится в области величин в 3 В.
В усовершенствованном варианте устройства согласно изобретению выполнение и расположение обоих электродов-датчиков и общего базового электрода, предпочтительно, оптимизируется таким образом, что сдвиг фаз сигналов по напряжению от первого электрода-датчика и второго электрода-датчика, измеренный по положению вращения связующей поверхности, находится в области величин порядка 90°, то есть находится, прежде всего, между 80° и 100°.
Предпочтительное для этого расположение предусматривает, что относительно возбуждающего электрода, электродов-датчиков и базового электрода существует ось симметрии, относительно которой форма и положение вышеназванных электродов в устройстве являются зеркально-симметричными. Предпочтительно, ось симметрии проходит через центральную точку возбуждающего электрода, например среднюю точку выполненного круглым или квадратным возбуждающего электрода, причем ось симметрии предпочтительно дополнительно разделяет базовый электрод зеркально-симметрично и проходит через промежуток между обоими электродами-датчиками. С подобным расположением может быть легко достигнут сдвиг фаз между сигналами по напряжению обоих электродов-датчиков порядка 90°.
Особо эффективное расположение заключается в том, что остальные электроды окружают возбуждающий электрод, по существу, кругообразно, причем между обоими электродами-датчиками и между каждым электродом-датчиком и базовым электродом существует промежуток. Промежутки между отдельными электродами могут иметь разный размер. По существу, «кругообразно» должно означать, что каждый электрод окружает расположенный центрально возбуждающий электрод в определенной угловой области и каждый электрод перекрывает другую угловую область. Не будучи ограниченной согласно изобретению, основная форма одного или всех остальных электродов может быть круговым сегментом. Для достижения наибольшей силы сигнала согласно изобретению может быть, кроме того, предусмотрено, что промежутки между электродами в совокупности имеют угловую область вокруг возбуждающего электрода менее 90°. Предпочтительно, угловая область всех промежутков в сумме составляет между 50° и 80°. Тогда оставшаяся угловая область находится в распоряжении как поверхность электродов, с помощью которой благодаря конденсаторному расположению разных электродов со связующей поверхностью может вырабатываться сравнительно большой сигнал по напряжению, который меньше подвержен внешним влияниям.
Кроме того, согласно изобретению может быть выгодным, когда расстояние между обоими электродами-датчиками больше расстояния между электродом-датчиком и базовым электродом, предпочтительно от 3 до 6 раз. Это способствует значительно большему расстоянию между фазами между обоими образованными согласно изобретению разностями сигналов по напряжению одного или же другого электрода-датчика и базового электрода. Согласно изобретению расстояние между фазами, прежде всего, может быть также установлено подходящим посредством величины промежутков.
В одном предпочтительном варианте осуществления устройства согласно изобретению базовый электрод может иметь такие размеры, что связующий электрод в особом положении поворота вращающегося элемента точно перекрывает поверхность базового электрода, при известных условиях с прилегающими промежутками. В этом положении сигнал по напряжению на базовом электроде является максимальным, а сигнал по напряжению на обоих прилегающих к каждой стороне базового электрода электродах-датчиках - сравнительно низким. Подобное расположение также способствует подходящему сдвигу фаз между сигналами по напряжению от одного и другого электрода-датчика порядка 90°. Кроме того, электроды-датчики и базовый электрод могут иметь такие размеры и быть расположенными так, что связующая поверхность в любом положении поворота вращающегося элемента перекрывает самое большее два из трех стальных электродов или имеет такие размеры и расположена так, что при перекрывании трех остальных электродов в некотором положении поворота по меньшей мере один из трех электродов имеет угол перекрывания <50°, предпочтительно <30°. Это приводит к особо хорошей развязке разных сигналов и, тем самым, особо подходящему сдвигу фаз между сигналами по напряжению электродов-датчиков.
Особо предпочтительное конкретное устройство согласно изобретению может быть выполнено так, что возбуждающий электрод выполнен круглым, связующая поверхность на внутреннем участке - круглой, а на частично окружающем внутренний участок внешнем участке - полукруглой, и что общий базовый электрод имеет угловую область примерно от 140° до 150°, а каждый электрод-датчик перекрывает угловую область примерно от 50° до 70°. При этом внутренний участок связующей поверхности в своем распространении может как раз, то есть за исключением небольших отклонений, соответствовать распространению возбуждающего электрода. За счет этого в любом положении поворота вращающегося элемента достигается хорошая емкостная связь возбуждающего электрода со связующей поверхностью. Кроме того, в этом конкретном расположении угловая область промежутков между обоими электродами-датчиками может предпочтительно составлять между 40° и 50°. В подобном расположении связующая поверхность в одном положении поворота перекрывает только базовый электрод, при известных условиях включая прилегающие промежутки.
Согласно целесообразному варианту осуществления устройства согласно изобретению схема обработки данных может иметь два компаратора, которые образуют соответственно разность соответственно между сигналом по напряжению одного или же другого электрода-датчика и сигналом по напряжению базового электрода, причем один или каждый компаратор выдает выходной сигнал лишь при лежащей выше обоих устанавливаемых вместе или по отдельности пороговых величин разностной величине. За счет этого при двух разностных сигналах согласно изобретению могут определяться четыре независимых состояния, которые соответствуют положению поворота связующей поверхности относительно электродов. Тем самым, при описанном ранее оптимизированном выполнении и расположении электродов положение поворота связующей поверхности может быть разделено на четыре квадранта по 90° и таким образом может осуществляться надежное распознавание направления вращения за счет того, что оценивается последовательность определенных друг после друга квадрантов.
Предпочтительно, пороговая величина может быть установлена так, что пороговая величина находится приблизительно посередине между максимальной и минимальной образованной разностной величиной. Это может происходить путем подходящего смещения рабочей точки, например путем подключения подходящего делителя напряжения, для сигналов по напряжению электродов-датчиков и базового электрода. Схема обработки данных может быть в целом реализована микропроцессором, в котором аналоговые сигналы по напряжению, в некоторых случаях после смещения рабочей точки, регистрируются на входах и подвергаются последующей обработке. В микропроцессор могут быть, прежде всего, встроены также оба компаратора.
Согласно изобретению возбуждающая схема для выработки импульсов напряжения с более высоким напряжением, чем предоставляемое в целом батареей питания устройства, может иметь подключенную к напряжению питания батареи электрическую цепь с катушкой индуктивности, переключателем и устройство для измерения тока (амперметром), причем возбуждающая схема устроена так, чтобы замыкать переключатель электрической цепи для зарядки катушки индуктивности зарядным током и снова размыкать переключатель при достижении пороговой величины зарядного тока для формирования импульса напряжения. Этот процесс повторяется с требуемой частотой для считывания положения поворота вращающегося элемента, задаваемой подходящим генератором частоты. Предпочтительно, возбуждающая схема, кроме того, одновременно настроена на то, чтобы измерять время зарядки между замыканием переключателя и достижением пороговой величины зарядного тока для наблюдения за манипуляциями.
Так как постоянная времени зарядного тока, то есть подъем графика «ток - время» согласно фиг.6, зависит от индуктивности, и на индуктивность со стороны действующего извне магнитного поля оказывается такое воздействие, что пороговое значение зарядного тока после замыкания электрической цепи переключателем достигается быстрее, то может легко обнаруживаться такое приложенное извне с целью манипулирования магнитное поле, прежде всего при использовании устройства в водяном счетчике согласно изобретению. С помощью описанного выше устройства подобное внешнее магнитное поле может быть, таким образом, установлено путем измерения времени зарядки и сравнением с измеренной ранее нормальной величиной.
При манипуляциях путем наложения внешнего магнитного поля на процесс счета обычного счетчика, прежде всего водяного счетчика, может быть оказано такое влияние, что никакой расход более не будет регистрироваться или расход будет регистрироваться, по меньшей мере, не полностью. Скрытой причиной этого является то, что счетчик зачастую имеет магнитное сцепление для соединения вращающегося элемента со связующей поверхностью с регистрирующей расход деталью. Посредством магнитного поля на это соединение может быть оказано такое воздействие, которое при данных условиях приводит к более низкому подсчету. Кроме того, уменьшается величина вырабатываемых катушкой импульсов напряжения, в частности, из-за того, что протекающий в целом в течение времени зарядный ток становится меньшим. Это может иметь следствием то, что заданные в компараторе пороговые величины более не будут достигаться и вообще не будет выполняться никакой подсчет. Подобная манипуляция может быть надежно распознана путем измерения согласно изобретению времени зарядки катушки индуктивности без того, что должна использоваться дополнительная сенсорная техника или электроника. Поэтому посредством устройства согласно изобретению также решается задача надежного и технически простого способа обнаружения манипуляции посредством внешнего магнитного поля. Измерение времени может быть, например, просто реализовано в и так уже имеющемся в устройстве микропроцессоре.
Наряду с устройством, изобретение относится также и к соответствующему способу емкостного считывания вращательного движения вращающегося элемента с устройством из центрального возбуждающего электрода, а также базового электрода и двух электродов-датчиков, которые включают в себя центральный возбуждающий электрод, причем возбуждающий электрод, базовый электрод и электроды-датчики расположены в одной плоскости и напротив предусмотренной на вращающемся элементе связующей поверхности. Связующая поверхность перекрывает возбуждающий электрод, по меньшей мере, в значительной степени, а также в зависимости от положения поворота части остальных электродов для зависящей от положения поворота емкостной связи возбуждающего электрода с базовым электродом и двумя электродами-датчиками.
Следовательно, согласно изобретению речь идет, прежде всего, о способе емкостного считывания описанного ранее устройства.
В способе на возбуждающий электрод с заданной частотой подают импульсы напряжения или импульсы возбуждения, причем измеряют получающееся напряжение базового электрода, первого электрода-датчика и второго электрода-датчика. Для того чтобы с небольшим числом электродов, малой занимаемой площадью и без больших схемотехнических затрат достичь распознавания направления вращения, согласно изобретению предлагается, что образуют и оценивают разности напряжений одного или же другого электрода-датчика с общим для обоих электродов-датчиков базовым электродом, чтобы определить движение и положение поворота вращающегося элемента. Механизм для этого уже разъяснен при описании устройства, так что на это можно ссылаться. Варианты осуществления устройства соответственно справедливы для способа согласно изобретению.
Согласно одному предпочтительному усовершенствованию способа согласно изобретению в соответственно одном компараторе схемы обработки данных при находящейся выше пороговой величины разности напряжения одного электрода-датчика и базового электрода и находящейся выше, предпочтительно такой же, пороговой величины разности напряжения другого электрода-датчика и базового электрода может вырабатываться выходной сигнал, который является легко обрабатываемым в подключенной последовательно логической схеме.
Поскольку сигналы по напряжению электродов-датчиков по причине описанного выше расположения электродов-датчиков сдвинуты по фазе, то этот сдвиг по фазе сказывается также на образовавшихся разностях, так что из выдаваемых компараторами выходных сигналов может быть сделан вывод о положении поворота вращающегося элемента со связующей поверхностью. В случае двух компараторов являются различаемыми в целом четыре разных состояния, так что - при подходящем расположении и выполнении электродов-датчиков и базового электрода - возможно определение положения с точностью до квадранта. Тогда путем наблюдения за следующими друг за другом квадрантами может быть определено направление вращения.
Согласно изобретению в предложенном способе может быть предусмотрено, что вырабатывается передаваемый на возбуждающий электрод возбуждающий импульс или импульс напряжения за счет того, что переключатель в подсоединенной к батарее и содержащей катушку индуктивности электрической цепи замыкается и контролируется зарядный ток, причем переключатель размыкается, когда зарядный ток достигает пороговой величины.
После размыкания переключателя из-за катушки индуктивности в электрической цепи сначала дальше течет ток и благодаря этому вырабатывается напряжение, которое является более высоким, чем предоставляемое в распоряжение устройству батареей напряжение. Величина напряжения определяется длительностью зарядного тока и пороговой величиной зарядного тока и согласно изобретению может быть установлена так, что достигает 10-15-кратного напряжения батареи. При напряжении батареи в 3 В предпочтительное напряжение импульса по напряжению равно примерно 30-35 В, что дает достаточную амплитуду для схемы обработки данных. Изменение по времени импульса является, по существу, синусоидальным, и его частота является такой, что оценивающий компаратор может зарегистрировать этот импульс. Частота может также регулироваться с помощью генератора импульсов. За счет этого может быть точно определено положение вращающегося элемента. Дополнительно может вестись наблюдение за временем зарядки от замыкания переключателя до достижения пороговой величины зарядного тока. Таким путем достигается уже описанное в связи с устройством наблюдение за манипуляциями, которое определяет приложение внешнего магнитного поля к устройству, которое влияет на время зарядки. При необходимости, в способе согласно изобретению может быть предусмотрено, что устройство в случае манипуляции передает сообщение на регистрирующую данные о потреблении систему сбора данных, предпочтительно посредством радиосвязи. Это может быть, например, реализовано за счет того, что при превышении и/или снижении ниже задаваемого или заданного времени зарядки до достижения пороговой величины (L) зарядного тока будет вырабатываться сигнал ошибки. Наконец, настоящее изобретение относится также к применению устройства по одному из пп.1-8 формулы изобретения в счетчике расхода, прежде всего в водяном, газовом или электрическом счетчике, который имеет вращающийся датчик расхода со сцеплением, прежде всего магнитным сцеплением, в котором вращающийся элемент устройства является соединяемым согласно пп.1-8 формулы изобретения, причем счетчик расхода имеет вычислительный блок для оценки выдаваемого устройством положения поворота вращающегося элемента и для преобразования в значения расхода. Согласно изобретению вычислительный блок может быть также встроен в вычислительный блок описанного ранее устройства. Кроме того, счетчик расхода может иметь также модуль связи для передачи по радио значений расхода и/или сообщений об ошибках, например при обнаруженной манипуляции, на систему сбора данных. Модуль связи может быть также встроен в модуль, имеющий устройство согласно изобретению.
С помощью устройства согласно изобретению и предлагаемого способа емкостного считывания положения поворота вращающегося элемента на основе технически просто вырабатываемого импульса напряжения с напряжением порядка 30-35 В достигается увеличение отношения сигнал/шум и, тем самым, более высокая нечувствительность устройства к электромагнитным помехам, которые, например, создаются ламповыми трансформаторами.
К тому же оптимизированная геометрия устройства дает в итоге очень хорошую модуляцию сигнала, так что с помощью микропроцессорной системы может быть реализована безотказная надежная оценка считаных сигналов по напряжению.
Кроме того, имеется возможность обнаружения манипуляции посредством созданного снаружи магнитного поля без дополнительных электронных компонентов. Это обнаружение манипуляций особо эффективно против часто используемых попыток манипуляции. Для обнаружения манипуляций оценивается изменение зарядного тока катушки индуктивности. Этим путем также предотвращается недопустимо высокий отбор тока из батареи, который может возникнуть в случае подобных манипуляций, так как зарядный ток катушки в нарушенном рабочем состоянии ограничивается и так уже заданной пороговой величиной зарядного тока. Этим может быть гарантирован зависящий от мощности батареи срок службы модуля даже в случае манипуляций. Является выгодным, когда микропроцессорная система или устройство обработки данных устройства документирует моменты времени начала и, при известных условиях, устранения нарушенного манипуляцией с постоянным магнитным полем рабочего состояния. Это может быть достигнуто тем, что момент времени возникновения помехи с датой и временем записывается в энергонезависимой памяти. Аналогично это происходит, как только нарушенное рабочее состояние перестает существовать. Так длительность помехи документируется и может быть считана оборудованием для технического обслуживания или передана посредством радиотелеграммы. Затем это может быть учтено при расчете стоимости расходуемых ресурсов.
Дополнительные преимущества, признаки и возможности применения настоящего изобретения следуют из нижеследующего писания примеров осуществления и чертежей. При этом все описанные или представленные графически признаки сами по себе или в любых сочетаниях являются предметом настоящего изобретения, даже независимо от их обобщения в пунктах формулы изобретения или их обратных ссылок.
Показано на:
фиг.1 - схематически устройство согласно изобретению с электродами-датчиками, базовым электродом и противоположным электродом,
фиг.2 - соответствующая согласно изобретению связующая поверхность вращающегося элемента,
фиг.3А - совместное расположение электродов и связующей поверхности в первом положении поворота связующей поверхности,
фиг.3Б - совместное расположение электродов и связующей поверхности во втором, повернутом относительно фиг.3А на 90° положении поворота связующей поверхности,
фиг.3В - совместное расположение электродов и связующей поверхности в третьем, повернутом относительно фиг.3Б на 90° положении поворота связующей поверхности,
фиг.3Г - совместное расположение электродов и связующей поверхности в четвертом, повернутом относительно фиг.3В на 90° положении поворота связующей поверхности,
фиг.4 - диаграмма со снятыми с электродов-датчиков и общего базового электрода сигналами по напряжению, а также с образованными из них разностными сигналами в зависимости от положения поворота связующей поверхности,
фиг.5 - диаграмма «напряжение - время» с изменением напряжения батареи в возбуждающей схеме и током импульса в разном масштабировании и произвольных единицах,
фиг.6 - изменение сигнала по напряжению электрода-датчика при малом, среднем и высоком емкостном считывании в зависимости от положения связующей поверхности в произвольных единицах,
фиг.7 - диаграмма «напряжение - время» с сигналами по напряжению первого электрода-датчика и базового электрода, образованным из обоих сигналов разностным сигналом и образованным в зависимости от величины разностного сигнала выходным сигналом компаратора в разном масштабировании и произвольных единицах,
фиг.8 - диаграмма «напряжение - время» с сигналами по напряжению второго электрода-датчика и базового электрода, образованным из обоих сигналов разностным сигналом и образованным в зависимости от величины разностного сигнала выходным сигналом компаратора в разном масштабировании и произвольных единицах,
фиг.9 - принципиальная схема возбуждающей схемы и схемы обработки данных соответственно устройству согласно изобретению и
фиг.10 - диаграмма «ток - время» зарядного тока катушки индуктивности для выработки импульса.
На фиг.1 схематически показано расположение электродов устройства согласно изобретению для емкостного считывания вращательного движения вращающегося элемента. Это устройство состоит из первого электрода-датчика 1, базового электрода 2, второго электрода-датчика 3 и возбуждающего электрода 4. Эта показанная на фиг.1 система электродов расположена напротив показанной на фиг.2 на вращающемся элементе связующей поверхности 5 из электропроводящего материала, которая при вращательном движении вращающегося элемента перемещается над системой электродов согласно фиг.1.
В одном особо предпочтительном устройстве, которым настоящее изобретение, однако, не ограничивается, возбуждающий электрод имеет форму круга, вокруг которого расположены остальные электроды, то есть первый и второй электроды-датчики 1, 3, а также базовый электрод 2. Первый и второй электроды-датчики 1, 3 выполнены одинаковыми и имеют форму кругового сегмента, причем центр круга лежит в центре возбуждающего электрода 4. При этом электроды-датчики 1 и 3 перекрывают угловой сегмент примерно в 60° относительно полного круга. Также и базовый электрод 2 выполнен как круговой сегмент, причем центр и этого круга лежит в центре возбуждающего электрода 4. Перекрываемая базовым электродом 2 угловая область составляет, относительно полной окружности, около 145°.
При этом глубина базового электрода в радиальном направлении меньше, чем глубина электродов-датчиков 1, 3 в радиальном направлении, причем размеры электродов 1, 2, 3 предпочтительно согласованы так, что сигналы по напряжения от первого электрода-датчика 1, второго электрода-датчика 3 и базового электрода 2 при работе находятся в одном порядке величин.
Между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 3 образован промежуток 6, в котором не находится никакая поверхность электрода. Промежуток 6 охватывает угловую область примерно в 50°. Остальная, не закрытая электродами 1, 2, 3 угловая область вокруг возбуждающего электрода 4 равномерно распределена на два других промежутка 7, 8 между первым электродом-датчиком 1 и базовым электродом 2 или вторым электродом-датчиком 3 и базовым электродом 2, которые имеют одинаковую величину. Первый электрод-датчик 1, второй электрод-датчик 3 и базовый электрод 2 окружают возбуждающий электрод 4, по существу, кругообразно, причем также и в радиальном направлении имеется служащий для изоляции промежуток между возбуждающим электродом и остальными электродами.
В целом, расположение электродов 1, 2, 3, 4 выполнено симметричным относительно оси А симметрии, которая проходит через центр круглого возбуждающего электрода 4 и симметрично делит промежуток между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 3.
Показанная на фиг.2 связующая поверхность 5, которая нанесена на не показанный вращающийся элемент и расположена напротив электродов 1, 2, 3, 4, имеет внутренний круглый участок 9 и внешний, частично окружающий внутренний участок 9 полукруглый участок 10. При этом круглый внутренний участок 9 переходит во внешний участок 10, так что от круглого внутреннего участка в контуре можно увидеть только полукруг. Связующая поверхность 5 сформирована из проводящего материала, прежде всего металлического материала.
На фиг.3А-3Г показано смонтированное состояние устройства согласно изобретению с электродами 1, 2, 3, 4 и связующей поверхностью 5, причем связующая поверхность 5 для ясности показана прозрачной. На изображении согласно фиг.3А внутренний участок 9 связующей поверхности 5, по существу, перекрывает возбуждающий электрод 4, причем радиус внутреннего участка 9 связующей поверхности выполнен немного меньше, чем радиус возбуждающего электрода 4. Это перекрытие, как показано на фиг.3Б-3Г, действительно в каждом положении поворота связующей поверхности 5 относительно электродов 1, 2, 3, 4. К тому же ось симметрии связующей поверхности 5 находится в центре круга внутреннего участка связующей поверхности 5 и в центре круглого возбуждающего электрода 4.
Внешний участок 10 связующей поверхности 5 перекрывает в положении поворота согласно фиг.3А второй электрод-датчик 3, примыкающую к электроду-датчику 3 половину базового электрода 2, а также образованный между вторым электродом-датчиком 3 и базовым электродом промежуток 8, а также прилегающую к первому электроду-датчику 1 половину промежутка 6 между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 3. В этом положении поворота имеет место емкостная связь возбуждающего электрода 4 со вторым электродом-датчиком 3 и базовым электродом 2 посредством связующей поверхности 5.
На фиг.3Б связующая поверхность 5 по сравнению с изображением согласно фиг.3А повернута влево, то есть против часовой стрелки, так что связующая поверхность 5 внешним участком 10 перекрывает базовый электрод 2 и соседние промежутки 7, 8.
На изображении согласно фиг.3В внешний участок 10 связующей поверхности 5 перекрывает первый электрод-датчик 1, примыкающую к первому электроду-датчику 1 половину базового электрода 2, образованный между первым электродом-датчиком 1 и базовым электродом 2 промежуток 7, а также прилегающую к первому электроду-датчику 1 половину промежутка 6 между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 2. В этом положении посредством связующей поверхности 5 возбуждающий электрод 4 индуктивно связан с первым электродом-датчиком 1 и базовым электродом 2.
Наконец, на фиг.3Г показан дальнейший поворот связующей поверхности 5 на 90°, так что связующая поверхность 5 своим внешним участком 10 теперь перекрывает первый электрод-датчик 1 и второй электрод-датчик 3, а также образованный между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 3 промежуток 6. Таким образом, емкостно связываются первый электрод-датчик 1 и второй электрод-датчик 3.
Это показанное посредством фиг.3А-3Г движение по квадрантам при полном обороте связующей поверхности 5 с вращающимся элементом проходит над конструкцией из электродов 1, 2, 3, 4, причем как моментальные снимки показаны положения поворота соответственно через 90°.
Под термином «перекрывать» понимается, что связующая поверхность 5 ее внешним участком 10 перекрывает по меньшей мере часть поверхностей первого электрода-датчика 1, второго электрода-датчика 3 или базового электрода 2, так что между перекрытыми электродами 1, 2, 3, а также возбуждающим электродом 4 имеет место сильная емкостная связь, причем последний возбуждающий электрод 4 является постоянно перекрытым. Полное перекрывание областей электродов 1, 2, 3, 4 связующей поверхностью 5 для перекрывания в терминологии этой заявки не является обязательно необходимым.
Когда к возбуждающему электроду 4 приложено напряжение, посредством емкостной связи на связующей поверхности 5 индуцируется заряд, который приводит к тому, что перекрытые связующей поверхностью 5 электроды 1, 2, 3 в зависимости от положения поворота связующей поверхности становятся емкостно связанными друг с другом, и на разных электродах 1, 2, 3 может быть обнаружен сигнал по напряжению, величина которого изменяется в зависимости от положения поворота связующей поверхности 5. На фиг.4 показано изменение напряжения U в зависимости от положения поворота связующей поверхности 5, причем положение поворота нанесено в градусах, а напряжение - в произвольных единицах. Показанный угол определяется острием 11 для измерения угла связующей поверхности 5 соответственно показанным на фиг.1 и фиг.3А-3Г угловым положениям.
Кривые напряжения для простоты обозначены соответствующими номерами электродов 1, 2, 3, с которых снимаются напряжения. На диаграмме положения согласно фиг.3А-3Г помечены вертикальными, выходящими за пределы диаграммы и обозначенными как фиг.3А-3Г линиями. В положении согласно фиг.3А второй электрод-датчик 3 связан с половиной базового электрода 2. Приложенное ко второму электроду-датчику 3 напряжение изменяется поэтому вблизи максимальной величины. Соответственно не перекрытый первый электрод-датчик 1 находится вблизи своей минимальной величины. Перекрытый до половины базовый электрод 2 находится примерно посередине между максимальной и минимальной величиной напряжения.
В положении согласно фиг.3Б первый электрод-датчик 1 и второй электрод-датчик 3 симметричным образом не перекрыты, так что их величины напряжения являются одинаковыми и сравнительно низкими. Полностью перекрытый базовый электрод 2 в этом положении имеет максимальную величину.
Фиг.3В соответствует положению согласно фиг.3А, причем величины между первым электродом-датчиком 1 и вторым электродом-датчиком 3 обменены, так как в этом положении поворота первый электрод-датчик 1 перекрыт связующей поверхностью 5.
В положении поворота согласно фиг.3Г первый электрод-датчик 1 и второй электрод-датчик 3 емкостно связаны связующей поверхностью 5. Их величины изменяются вблизи максимальных величин и являются одинаковыми. Совершенно не перекрытый базовый электрод 2 в этом положении поворота имеет свою минимальную величину.
Как дополнительные кривые нарисованы образованные согласно изобретению разностные величины между первым электродом-датчиком 1 и базовым электродом (обозначены как DIFF 1) и вторая разность между вторым электродом-датчиком 3 и базовым электродом (обозначена как DIFF 2).
Хорошо видно, что сдвиг фаз между изменением напряжения первого электрода-датчика 1 и изменением напряжения второго электрода-датчика 3 составляет как раз 90° (относительно положения поворота связующего элемента). Сигнал по напряжению базового электрода 2 является максимальным, когда сигналы по напряжению первого электрода-датчика 1 и второго электрода-датчика 3 вблизи их минимальных величин напряжения равны. Соответственно сигнал по напряжению базового электрода 2 минимален, когда величины напряжения первого электрода-датчика 1 и второго электрода-датчика 3 вблизи их максимума равны.
Образованием согласно изобретению разности кривых напряжения первого электрода-датчика 1 или второго электрода-датчика 3 с базовым электродом 2 путем сравнения образованных разностей DIFF 1 и DIFF 2 с пороговой величиной получают сведения о положении поворота связующего элемента 5. Подходящая пороговая величина нарисована на фиг.4 как горизонтальная линия S. Эта линия находится примерно посередине между максимальной величиной и минимальной величиной обоих разностных кривых DIFF 1 и DIFF 2. В положении поворота согласно фиг.3А величина DIFF 1<S, а величина DIFF 2>S. В положении согласно фиг.3Б обе разностные величины DIFF 1 и DIFF 2<S. В положении поворота согласно фиг.3В разностная величина DIFF 1>S, а разностная величина DIFF 2<S. В положении согласно фиг.3Г, напротив, обе разностные величины DIFF 1 и DIFF 2>S. На фиг.4 соответствующие значения функций на линиях пересечения с обозначающими положение поворота вертикальными линиями показаны точками. Сравнение с пороговыми величинами S приведено под изображениями фиг.3А-фиг.3Г. Как там явно видно, четыре возможных расположения разностных величин DIFF 1 и DIFF 2 в сравнении с пороговой величиной S могут быть приписаны соответственно одному повернутому на 90° положению поворота связующей поверхности 5 так, что путем этой оценки может быть точно установлен соответствующий квадрант, в котором находится связующая поверхность 5.
Для того чтобы иметь возможность проверять положение вращающегося элемента с согласованной с нормальным ходом счета счетчика частотой, согласно изобретению предлагается нагружать возбуждающий электрод 4 импульсами напряжения с достаточно высокой частотой, так чтобы при максимально ожидаемой частоте вращения счетчика в каждом квадранте происходило по меньшей мере одно считывание вращающегося элемента.
Так как в случае счетчиков речь часто идет о питаемом от батареи приборе и предоставляемое батареей в распоряжение номинальное напряжение питания является слишком низким, то для того чтобы с простой электронной оценкой достичь достаточно точного отклика на импульс, согласно изобретению предлагается в приводимой в действие батареей 21 электрической цепи вырабатывать импульсы напряжения посредством катушки 22 индуктивности. Для этого электрическая цепь батареи посредством генератора импульсов или генератора частоты 24 замыкается с желаемой частотой импульсов, так что к катушке 22 индуктивности прикладывается напряжение батареи. Это приводит к току зарядки на катушке 22 индуктивности, причем при размыкании электрической цепи по причине свойств катушки индуктивности 22 сначала продолжает течь ток, и вследствие этого кратковременно вырабатывается импульс 13 высокого напряжения. Это показано на фиг.5, причем в зарядной электрической цепи при замкнутом переключателе 23 приложенное напряжение 12 батареи, предпочтительно, прикладывается до тех пор, пока не будет достигнут определенный зарядный ток. Затем электрическая цепь размыкается, что приводит к снижению напряжения батареи на катушке индуктивности 22. Одновременно благодаря катушке 22 индуктивности образуется импульс 13 напряжения с примерно в 10-15 раз более высоким напряжением, чем напряжение 12 батареи. Это представлено на фиг.5 посредством обеих разных шкал напряжения.
Выработанный таким образом импульс 13 напряжения подается на возбуждающий электрод 4 и через связующий элемент 5 переносится на те электроды 1, 2, 3, которые как раз перекрыты связующим элементом 5.
На фиг.6 показан снимаемый с этих электродов 1, 2, 3 сигнал в зависимости от того, достигла ли связующая поверхность 5 сильной, средней или слабой емкостной связи. Наибольший датчиковый импульс 14 напряжения снимается с электрода-датчика или базового электрода 1, 2, 3, когда существует максимальная емкостная связь. При средней емкостной связи на электродах 1, 2, 3 обнаруживается средний датчиковый импульс 15 напряжения и при лишь небольшой емкостной связи - низкий датчиковый импульс 16 напряжения.
На фиг.7 и фиг.8 показаны датчиковые сигналы первого электрода-датчика 1 (фиг.7) или второго электрода-датчика 3 (фиг.8), а также соответственно базового электрода 2, причем для упрощения они обозначены присвоенными электродам 1, 2, 3 ссылочными обозначениями. С другой шкалой, кроме того, показан разностный сигнал обоих сигналов по напряжению электрода-датчика 1, 3 и базового электрода 2, который обозначен как DIFF 1 или DIFF 2.
На фиг.7 этот сигнал в импульсе напряжения отрицательный, так как величина напряжения базового электрода 2 больше, что величина напряжения первого электрода-датчика 1. Компаратор 26, который образует разность обоих сигналов, поэтому выдает лишь выходной сигнал 17 с величиной 0. На фиг.7 разностный сигнал DIFF 1, а также сигналы по напряжения первого электрода-датчика 1, базового электрода 2 и выходной сигнал 17 используют соответственно разное масштабирование.
То же самое справедливо для изображения на фиг.8, которое показывает сигнал по напряжению второго электрода-датчика 3 и сигнал по напряжению базового электрода 2. Разность DIFF 2 этих обоих сигналов в импульсе напряжения больше 0, так как величина напряжения электрода-датчика 3 больше, чем величина напряжения базового электрода 2. Этот положительный разностный сигнал DIFF 2 заставляет компаратор 17, который образует разность DIFF 2 обоих сигналов по напряжению, выдавать выходной сигнал 18, не равный 0.
Также в случае фиг.7 и фиг.8 величина DIFF 1<S, а величина DIFF 2>S. Соответственно связующая поверхность 5 находится в положении поворота согласно фиг.3А.
На фиг.9 схематически показана логическая схема устройства 18 обработки данных устройства согласно изобретению. Устройство 18 обработки данных имеет возбуждающую схему 19 для выработки возбуждающих импульсов в форме импульсов 13 напряжения и схему 20 обработки данных для сбора приложенных к электродам 1,23 сигналов по напряжению для сравнения этих сигналов по напряжению. В возбуждающей схеме 19 батарея 21 предоставляет в распоряжение напряжение питания, чтобы посредством зарядного тока заряжать катушку 22 индуктивности, когда переключатель 23 замкнут генератором 24 частоты, который задает частоту импульсов 13 напряжения. При замкнутом переключателе 23 амперметр 25 измеряет зарядный ток катушки 22 индуктивности, пока он не достигнет пороговой величины L зарядного тока. Этим путем переключатель 23 побуждается к разрыву электрической цепи. Вслед за этим по причине наличия катушки 22 индуктивности ток продолжает течь, вследствие чего вырабатывается импульс 13 напряжения, который передается на возбуждающий электрод 4.
Возбуждающий электрод 4 через внутренний участок 9 связующей поверхности 5 емкостно связан со связующей поверхностью 5, которая со своей стороны в зависимости от положения поворота емкостно связана с первым электродом-датчиком 1, вторым электродом-датчиком 3 или базовым электродом 2. За счет этого с первого электрода-датчика 1, второго электрода-датчика 3 и базового электрода 2 снимается величина напряжения, которая подводится к первому компаратору 26, который образует разностный сигнал DIFF 1, и ко второму компаратору 27, который образует разностный сигнал DIFF 2.
Пороговая величина S устанавливается на подводящих линиях к первому или второму компаратору 26, 27 посредством схемы 28 установки рабочей точки, которая, например, имеет подходящие делители напряжения, чтобы соответственно смещать подводимые к компараторам 26, 27 уровни напряжения.
Первый компаратор 26 и второй компаратор 27 в зависимости от результата образования разности описанным образом выдают выходной сигнал 17, который или равен 0, или отличается от 0. Этот выходной сигнал затем используется для распознавания вращения, распознавания положения и распознавания направления вращения.
На фиг.10 показано поведение зарядного тока в возбуждающей электрической цепи 19 при замкнутом переключателе 23. Как можно сделать вывод из фиг.10, зарядный ток во время процесса зарядки возрастает, пока в амперметре 25 не будет замерена пороговая величина L зарядного тока, и после этого переключатель разомкнется. Высота возбуждающего импульса 13 тогда зависит, прежде всего, от накопленного под кривой количества заряда.
Установление пороговой величины L зарядного тока как граничной величины для размыкания переключателя 23 имеет то преимущество, что перезаряд катушки 22 индуктивности не может произойти.
Этот механизм зарядки соответственно варианту осуществления согласно изобретению может быть использован также как механизм распознавания манипуляций для манипулирования со счетчиком с помощью внешнего магнитного поля. Они могут, например, привести к тому, что при магнитном сцеплении вращающегося элемента устройства согласно изобретению с определяющим расход элементом счетчика может быть оказано воздействие на проскальзывание магнитного сцепления и таким образом оказано влияние на процесс счета. Поэтому речь идет при этом о часто применяемой на практике манипуляции.
Эта манипуляция согласно изобретению теперь может быть обнаружена тем, что внешним магнитным полем изменяется индуктивность 22. Это приводит к более быстрому росту зарядного тока, как это показано на фиг.10 штриховой линией. В этом случае пороговая величина L зарядного тока достигается за более короткое время, чем при нормальной зарядке, как она происходит согласно сплошной линии. Поэтому путем измерения времени зарядки до достижения пороговой величины L зарядного тока может быть сделан вывод о том, оказывает ли влияние на все датчиковое устройство внешнее магнитное поле.
Это обнаружение манипуляций может проводиться особо просто, так как не должны предусматриваться никакие отдельные электронные компоненты. Время от замыкания переключателя до достижения пороговой величины зарядного тока может быть зарегистрировано и без того предусмотренным в устройстве микропроцессором.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 первый электрод-датчик
2 базовый электрод
3 второй электрод-датчик
4 возбуждающий электрод
5 связующая поверхность
6 промежуток
7 промежуток
8 промежуток
9 внутренний участок
10 внешний участок
11 острие для измерения угла
12 напряжение батареи
13 импульс напряжения, возбуждающий импульс
14 большой датчиковый импульс напряжения
15 средний датчиковый импульс напряжения
16 низкий датчиковый импульс напряжения
17 выходной сигнал
18 устройство обработки данных
19 возбуждающая схема
20 схема обработки данных
21 батарея
22 катушка индуктивности
23 переключатель
24 генератор частоты
25 устройство для измерения тока, амперметр
26 первый компаратор
27 второй компаратор
28 схема установки рабочей точки А ось симметрии
S пороговая величина
L пороговая величина зарядного тока
DIFF 1 разность сигналов по напряжению первого электрода-датчика и базового электрода
DIFF 2 разность сигналов по напряжению второго электрода-датчика и базового электрода