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Die Erfindung betrifft einen digitalen Verbrauchszähler für strömende Medien, insbesondere für Gas und Wasser.
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Bei digitalen Verbrauchszählern für strömende Medien, die in der Haustechnik oder in der Industrietechnik eingesetzt werden, wird angestrebt, derartige digitale Verbrauchszähler digital auszulesen.
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Bei der digitalen Auslesung wird ferner gefordert, dass derartige Verbrauchszähler einen möglichst geringen Stromverbrauch haben, denn sie haben lediglich eine kleine Batterie, die in der Regel als Knopfzelle ausgebildet ist.
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Derartige digitale Verbrauchszähler sind bereits bekannt und arbeiten mit einer Batterie über mehrere Jahre hinweg. Nachteil der bekannten Verbrauchszähler ist jedoch deren hohe Bauhöhe, weil in der Regel an ein mechanisches Zählwerk noch ein umlaufender Permanentmagnet angekoppelt ist, der mit dem mitlaufenden Zahnrad des Schrittschaltzählwerkes drehfest gekuppelt ist und über die Erfassung der Umdrehung dieses Permanentmagnetes eine digitale Auslesung zu ermöglichen.
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Das mechanische Zählwerk verursacht aber eine sehr hohe Bauhöhe, was unerwünscht ist.
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Außerdem hat ein solcher kombinierter Verbrauchszähler, der aus einem mechanischen Zählwerk und einem digitalen Zählwerk besteht, den weiteren Nachteil, dass er eine hohe Reibung hat, wegen der Verwendung des mechanischen Zählwerkes und geringe Leckströme, die deshalb nicht erkannt werden können, weil die innere Reibung so hoch ist, dass langsam strömende Medien nicht mehr sicher genug erkannt werden können.
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Es ist ferner bekannt, einen digitalen Verbrauchszähler mit einem Wiegandsensor auszustatten, der gleichzeitig für die Stromversorgung der damit gekoppelten Schaltung sorgt, um so die Verbrauchsbatterie einzusparen. Nachteil dieser bekannten Lösung ist jedoch, dass der Wiegandsensor nur eine geringe Leistungsfähigkeit hat und relativ hohe Kosten verursacht, was mit einem unzuträglich hohen Preis für einen derartigen digitalen Verbrauchszähler verbunden ist.
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Der Wiegandsensor ist also nur geeignet, die Stromversorgung für die Auswerteschaltung bereitzustellen. Die Stromversorgung für ein Display und gegebenenfalls für ein daran gekoppeltes Funkmodul ist jedoch nicht möglich.
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Es ist ferner bekannt, digitale Verbrauchszähler mit Hall-Sensoren auszustatten, was jedoch mit dem Nachteil verbunden ist, dass diese ständig mit Strom versorgt werden müssen, was die Lebensdauer der Batterie stark verkürzt.
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Auch bei der optischen Auslesung und gegebenenfalls Anzeige von Zählerständen bekannter digitaler Verbrauchszähler besteht der Nachteil, dass ständig ein Stromfluss zu gewährleisten ist, unabhängig von der Stellung des Verbrauchszählers.
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Die modernen Verbrauchszähler sind elektronisch und benötigen kein mechanisches Zählwerk mit Zahlenrollen aus Kunststoff. Auch das Getriebe von Trockenläufermagneten zur ersten Zahlenrolle des Zählwerks fehlt. Anstatt dessen werden Sensoren für die Erkennung der Bewegung des Nassläufers verwendet. Der Verbrauchswert wird anschließend am Display angezeigt bzw. kann auch nur im nichtflüchtigen Speicher (EEPROM, FRAM o. A.) abgelegt werden und bei Bedarf über Kabel bzw. per Funk ausgelesen werden.
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Die erfindungsgemäße Technologie soll
- – die Dimensionen des Verbrauchszählers zu verkleinern
- – den Energiebedarf des Zählers zu reduzieren (Lebensdauer der Batterie verlängert sich)
- – die Kosten für die Herstellung des Verbrauchszählers gering zu halten.
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Zusätzlich soll diese erfindungsgemäße Technologie in Verbindung mit verschiedenen Schnittstellen (z. B. Kommunikation mit Verbrauchszählern über Kabel oder per Funk) und Kommunikationsprotokollen geschützt werden.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen digitalen Verbrauchszähler für strömende Medien der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der digitale Verbrauchszähler entscheidend weniger Strom während des Betriebes benötigt, kostengünstig aufgebaut werden kann und kostengünstig produziert werden kann, wobei eine lange Lebensdauer gewährleistet sein soll.
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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 drehfest unmittelbar mit dem umlaufenden Antriebsrad, welches im Fluss des strömenden Mediums angeordnet ist, mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist, dessen Magnetfeld auf außerhalb des Strömungsraumes durch eine Trennwand paarweise angeordnete und dort befestigte Reedkontakte einwirkt.
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Mit der gegebenen technischen Lehre ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass nun eine direkte Übertragung eines am Antriebsrad direkt befestigten Permanentmagneten und dessen Feldlinien durch die Trennwand des Verbrauchszählers hindurch auf außerhalb dieser Trennwand angeordnete Reedkontakte einwirkt, die paarweise angeordnet sind.
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Die paarweise Anordnung von Reedkontakten hat den Vorteil, dass die Richtung des Umlaufs des Antriebsrades und damit die Strömungsrichtung erkannt werden kann.
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Wenn es jedoch darum geht, dass die Strömungsrichtung nicht erkannt werden braucht, reicht es, einen einzigen Reedkontakt zu verwenden, in der Verwendung von Reedkontakten werden große Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erzielt, denn bei Reedkontakten wird Strom nur dann gezogen und es fließt nur dann Strom, wenn der Reedkontakt geschlossen ist. Im offenen Zustand verbraucht die Sensoreinheit praktisch keinen Strom.
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Als Nassläufer wird ein Magnet bezeichnet, der im wassergefüllten Raum des Verbrauchszählers untergebracht ist und sich mit zunehmendem Wasserstrom schneller dreht. Die Erfassung dieser Drehbewegung geschieht mit zwei Reedschaltern. Die Auslegung des Magneten und spezielle Anordnung der Schalter (z. B. runder Magnet mit 6 mm Durchmesser und zwei im Abstand von ca. 10 mm angebrachten Reedschalter) ergibt einen bestimmten Winkel, bei dem die Reedschalter geschlossen sind (Kurzschluss). Beispielsweise betätigt das Magnetfeld im Bereich von 60° die Reedschalter. Durch räumliche Anordnung kann man somit eine 30°-Überlappung der Signale der beiden Reedschalter erreichen.
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Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist somit, dass lediglich im Umdrehungsbereich des Antriebsrades, in dem die Reedkontakte angeordnet sind, ein Stromverbrauch des Sensors zu vergegenwärtigen ist. Dies bedeutet, dass außerhalb des Anordnungsbereiches der Reedkontakte im Schnitt über 75% des Drehwinkels des Antriebsrades kein Stromverbrauch des Sensors stattfindet.
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Hiermit wird wesentliche Batterieenergie eingespart, und die Batterielebensdauer ist damit entscheidend verlängert. Es ist somit möglich, mit einer Batterie eines digitalen Verbrauchszählers für einen Zeitraum von mindestens 20 Jahren auszukommen.
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Ebenso ist entscheidend die Bauhöhe eines erfindungsgemäßen digitalen Verbrauchszählers vermindert, denn es reicht aus, den flüssigkeitsdurchströmten Raum des Verbrauchszählers nach oben hin durch eine Trennwand abzutrennen und darüber die Reedkontakte anzuordnen, die somit unmittelbar von den Magnetfeldlinien durchdrungen sind, die von dem Magneten ausgehen, der mit dem Antriebsrad fest gekoppelt ist.
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Damit ist eine sehr sichere Schaltung der Reedkontakte gewährleistet, die prellfrei arbeiten und die ebenfalls eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren aufweisen.
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Wesentlich ist ferner, dass nun durch die Platzeinsparung, weil relativ kleine wenig Raum beanspruchende Reedkontakte vorgesehen sind, in diesem noch verbleibenden Raum ein Funkmodul sehr einfach integriert werden kann, ohne dass es eines aufwendigen Aufbaus auf dem Verbrauchszähler selbst bedarf.
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Die Reedkontakte und die die Reedkontakte tragende Platine hat etwa eine Größe von 15 mm × 20 mm und kann selbstverständlich auch noch kleiner dimensioniert werden, wobei es wesentlich ist, dass die Lötkontakte in Richtung ihrer Längsachse antiparallel angeordnet sind, was bedeutet, dass deren Längsachse sich konisch radial nach außen öffnet und einen Winkelbereich im Bereich von z. B. 5 bis 20° bildet.
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Sie sind also nicht parallel zueinander angeordnet, sondern sind entweder auf einem Radiusstrahl angeordnet oder sogar – in Abweichung von einem Radiusstrahl mit konisch sich radial nach außen verengendem Winkel angeordnet sein können.
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Weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der eigentlich für den Verbrauchszähler vorgesehene Mikrocontroller, der die Werte ermittelt, auch gleichzeitig für die Auswertung der Signale der Reedkontakte verwendet werden kann, so dass der Mikrocontroller doppelt genutzt wird, ohne dass es zu einem erhöhten Stromverbrauch kommt.
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Damit werden auch die Kosten niedrig gehalten, denn ein einziger Mikroprozessor wird für mehrere Aufgaben vorgesehen.
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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: schematisiert die Draufsicht auf einen Verbrauchszähler nach der Erfindung
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2: schematisiert im Schnitt den Verbrauchszähler nach 1
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3: die Auswerteschaltung für die Auswertung eines Signals des Reedkontaktes
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3A: zeigt einen einfachen Reedkontakt-Umschalter
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4: das Impuls-Zeit-Diagramm der beiden Signale der Reedkontakte bei der Eindrehrichtung
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5: das gleiche Bild wie 4 mit Darstellung der Signale der Reedkontakte in umgekehrter Drehrichtung
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6: das Sektordiagramm beim Umlaufen des Magnetfeldes über die zugeordneten Schaltsektoren der beiden Reedkontakte
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In 1 und 2 ist allgemein ein Verbrauchszähler 1 für Gas und Wasser dargestellt, wobei derartige Medien im Haushalts- oder im Industriebereich laufend erfasst werden sollen und in digitaler Form einer Auswertung zugeführt werden sollen.
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Der Verbrauchszähler 1 besteht aus einem Gehäuse 2, welches eine Drehachse 3 ausbildet, in der ein Antriebsrad 4 drehbar gelagert ist. Das in Pfeilrichtung 11 in das Gehäuse einströmende Medium durchströmt somit das Gehäuse im unteren Bereich und treibt das Antriebsrad 4 beispielsweise in Pfeilrichtung 5 an.
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Die vorliegende Erfindung sieht auch vor, dass das Antriebsrad in der Gegenrichtung angetrieben wird, wofür die Pfeilrichtung 5A verwendet wird.
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Der untere Teil des Gehäuses 2 wird dann von dem strömenden Medium in Pfeilrichtung 12 verlassen.
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Wichtig ist nun, dass an dem Antriebsrad 4 selbst oder an einem mit dem Antriebsrad 4 gekoppelten Achse 13 ein Scheibenrad 14 angeordnet ist, an dem exzentrisch ein Magnet 6 angeordnet ist, der als Permanentmagnet ausgebildet ist. Selbstverständlich können auch mehrere Magnete 6 auf dem Scheibenrad 14 oder dem Antriebsrad 4 angeordnet werden.
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Die 1 zeigt, dass der Magnet 6 exzentrisch auf dem Antriebsrad 4 angeordnet ist, oder die 2 zeigt, dass er exzentrisch auf dem Scheibenrad 14 angeordnet ist.
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Der Strömungsraum des Gehäuses 2 wird nach oben durch eine Trennwand 10 abgetrennt, wodurch sich ein oberes Abteil ergibt, in dem die Reedkontakte 7, 8 angeordnet sind. Dies zeigt die 1. Die Reedkontakte 7, 8 sind nicht in Richtung ihrer Längsachse parallel zueinander angeordnet, sondern in 1 sind sie konisch radial nach außen geöffnet und bilden hierbei einen Winkel 9.
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In den anderen Ausgestaltungen kann der Winkel 9 größer sein, oder er kann sogar negativ sein, wodurch dann die Längsachsen der Reedkontakte sich im Außenbereich kreuzen.
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Wichtig ist, dass die Reedkontakte 7, 8 paarweise angeordnet sind und einen relativ dichten Abstand zueinander aufweisen, damit sich ein Überlappungsbereich 28 ergibt, wie dies in 6 dargestellt ist.
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Selbstverständlich ist es möglich, auch den in 1 dargestellten Reedkontakten 7, 8 gegenüberliegend noch ein weiteres Paar von Reedkontakten anzuordnen und hier ebenfalls entweder einen eigenen Magneten vorzusehen oder den Magneten 6 für beide Reedkontaktpaare zu verwenden, wodurch die Auflösung erhöht wird.
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Die 3 zeigt eine geeignete Schaltung für die Auswertung der Signale eines Reedkontaktes 7 oder 8. Hierbei ist erkennbar, dass der Reedkontakt 7, 8 über eine Leitung 16 mit der Erde 17 in Verbindung steht und die andere Seite mit einem relativ hochohmigen Widerstand 15 mit nur z. B. 10 μA Stromdurchgang an einer Stromquelle von z. B. +5 Volt anliegt.
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Unterhalb des Widerstandes 15 zweigt eine Signalleitung 32 ab, die an einem interruptfähigen Pinport an einem Mikroprozessor 18 mündet.
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Damit wird der Impulsverlauf 19 beider Reedkontakte 7, 8 über den Portpin an den Mikroprozessor 18 eingeführt.
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Wichtig hierbei ist, dass der jeweilige Reedkontakt 7, 8 im offenen Zustand nicht vom Strom durchflossen ist und im stromdurchflossenen Zustand über den relativ hochohmigen Widerstand 15 nur ein sehr geringer Strom im Bereich von 10 Mikroampere fließt. Damit wird ein sehr geringer Stromverbrauch gewährleistet.
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Die 4 und 5 zeigen die jeweiligen Impulsdiagramme der beiden Reedkontakte, und zwar die 4 bei der Umdrehung in Pfeilrichtung 5 und die 5 bei der Umdrehung in Gegenrichtung, nämlich in Pfeilrichtung 5A.
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Gemäß dem eingetragenen Pfeil in 4 und 5 links sind im Zustand 21 beide Reedkontakte 7, 8 offen und verbrauchen deshalb keinen Strom.
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Im Zustand 22 wird der Reedkontakt 8 geschlossen, und der Reedkontakt 7 bleibt offen.
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Im Zustand 23 sind beide Reedkontakte 7, 8 geschlossen, während im Zustand 24 der Reedkontakt 8 offen ist und der Reedkontakt 7 geschlossen ist.
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Im Zustand 21 (in 4 rechts) sind beide Reedkontakte 7, 8 wieder offen.
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Die gleiche, analoge Darstellung, wie anhand der 4 erläutert wurde, gilt für die umgekehrte Drehrichtung gemäß 5.
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Die Bereiche der Zustände 21–24 können auch kleiner ausgelegt werden; dies hängt von der Drehgeschwindigkeit des Antriebsrades 4 ab.
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Die 6 zeigt nun schematisiert ein in Pfeilrichtung 5 umlaufendes Magnetfeld 25 des Magneten 6, und als Kreis ist hierbei der Zustand 21 eingetragen.
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Der rechte Sektor in 6 trägt die Zustandsbezeichnung 22 und zeigt, dass über einen Sektorwinkel 31 lediglich der Reedkontakt 8 geschlossen wird, wobei dieser Sektorwinkel 31 etwa 30° beträgt. Der Zustand 22 bzw. 24 wird also jeweils über einen Drehwinkel von 30° des Antriebsrades 4 aufrecht erhalten.
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Wichtig ist auch ferner in 6, dass der Zustand 21 sich über insgesamt 270° erstreckt, was bedeutet, dass in diesem relativ großen Drehwinkel keines der Reedkontakte 7, 8 betätigt ist und daher keinen Strom verbraucht. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik.
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Nach Durchlaufen des Schaltzustandes 22 für den Reedkontakt 8 wird ein Überlappungsbereich 28 durchlaufen, der den Zustand 23 abbildet. In diesem Überlappungsbereich bleibt der Reedkontakt 8 geschlossen, und gleichzeitig wird in diesem Bereich der Reedkontakt 7 betätigt.
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Der Reedkontakt 8 bleibt also im Schaltsektor 27 betätigt, während der Reedkontakt 7 im Schaltsektor 26 betätigt wird, wobei die beiden Reedkontakte 7, 8 so dicht beieinander angeordnet sind, dass sich die beiden Schaltsektoren 26, 27 überlappen und einen Überlappungsbereich 28 von z. B. 30° bilden.
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Die Winkel von 30° können frei gewählt werden, d. h. es können auch 20, 15, 40 oder 60° sein.
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Wichtig ist, dass sich ein Überlappungsbereich 28 zwischen den Schaltsektoren 26 und 27 für die Schaltung der Reedkontakte 7, 8 bildet, um sicherzustellen, weil sonst die Richtung (Drehrichtung) nicht erkannt werden kann.
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In der Position 29 öffnet deshalb der Reedkontakt 7, und in der Position 30 öffnet der Reedkontakt 8.
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Wichtig ist, dass statt der hier dargestellten einfachen Reedkontakte auch Reedkontakte verwendet werden können, die als Reed-Umschalter ausgebildet sind. Hierbei ist der durch das Magnetfeld beeinflusste Schaltkontakt des Reedschalters als Umschalter ausgebildet, der entweder einen Kontakt mit der Stromquelle über den Widerstand 15 eingeht oder einen Kontakt mit der Erde über die Signalleitung 16. Vorteil dieses Reedkontakt-Umschalters ist, dass der Widerstand 15 entfallen kann und stattdessen die positive Spannungsquelle unmittelbar mit dem Pinport des Mikroprozessors 18 verbunden wird oder wahlweise abgeschaltet wird und stattdessen der Pinport unmittelbar auf Masse über die Leitung 16 gezogen wird.
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Dieser Reedkontakt-Umschalter 33 ist in 3A dargestellt, und die oben genannten Erläuterungen gelten für die 3A.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrauchszähler (Gas 35 oder Wasser)
- 2
- Gehäuse
- 3
- Drehachse
- 4
- Antriebsrad
- 5
- Pfeilrichtung 5a
- 6
- Magnet
- 7
- Reed-Kontakt
- 8
- Reed-Kontakt
- 9
- Winkel
- 10
- Trennwand
- 11
- Pfeilrichtung
- 12
- Pfeilrichtung
- 13
- Achse
- 14
- Scheibenrad
- 15
- Widerstand
- 16
- Leitung
- 17
- Erde
- 18
- Mikroprozessor
- 19
- Impulsverlauf
- 20
-
- 21
- Zustand
- 22
- Zustand
- 23
- Zustand
- 24
- Zustand
- 25
- Magnetfeld (von 6)
- 26
- Schaltsektor (von 7)
- 27
- Schaltsektor (von 8)
- 28
- Überlappungsbereich
- 29
- Position von (7)
- 30
- Position von (8)
- 31
- Sektorwinkel
- 32
- Signalleitung
- 33
- Reedkontakt-Umschalter
