DE102013102543B4 - Rotary encoder with low power consumption - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, welche Folgendes umfasst:- einen kapazitiven Drehsensor in Form eines Kondensators (C), welcher eine erste und eine davon elektrisch isolierte zweite Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') umfasst, zwischen welchen eine Kapazität gebildet ist, welche in Abhängigkeit eines Drehwinkels eines Aktuators des Drehsensors periodisch variiert,- einen an den Kondensator (C) gekoppelten Komparator (110), welcher eine zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') des Kondensators (C) abfallende Ladespannung mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vergleicht und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal (115) an einem Ausgang (111) des Komparators (110) ausgibt,- einen zwischen die erste Kontaktierelektrode (1, 2; 1', 2') und den Ausgang (111) des Komparators (110) gekoppelten Widerstand (R) und- einen an den Ausgang (111) des Komparators (110) gekoppelten Zähler (120), wobei der Kondensator (C) ferner eine Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') umfasst, welche von der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2) elektrisch isoliert ist und relativ zu diesen um eine Achse drehbar ist, wobei die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode (1, 2) gebildete Kapazität durch Drehen der Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') um die Achse veränderbar ist, wobei die Kopplungselektrode (3; 3'; 3'') als elektrisch leitende Schicht auf einem Zahnrad (30; 30'; 30''; 30''') angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Kontaktierelektrode (1, 2) auf einer Leiterplatte (10; 10') angeordnet sind, wobei ferner der Zähler (120), der Widerstand (R) und/oder der Komparator (110) auf der Leiterplatte angeordnet sind.Device, which comprises the following: - a capacitive rotation sensor in the form of a capacitor (C), which comprises a first and a second contacting electrode (1, 2; 1 ', 2') electrically insulated therefrom, between which a capacitance is formed, which in Depending on a rotation angle of an actuator of the rotation sensor varies periodically, - a comparator (110) coupled to the capacitor (C), which has a drop between the first and the second contact electrode (1, 2; 1 ', 2') of the capacitor (C). Compares charging voltage with an upper and a lower threshold value and, based on a result of the comparison, outputs an output signal (115) at an output (111) of the comparator (110), - one between the first contacting electrode (1, 2; 1 ', 2' ) and the output (111) of the comparator (110) coupled resistor (R) and a counter (120) coupled to the output (111) of the comparator (110), the capacitor (C) further comprising a coupling electrode (3; 3 '; 3''), which is electrically insulated from the first and second contacting electrodes (1, 2) and is rotatable relative to them about an axis, the capacitance formed between the first and second contacting electrodes (1, 2). by turning the coupling electrode (3; 3'; 3'') can be changed about the axis, the coupling electrode (3; 3'; 3'') being arranged as an electrically conductive layer on a gear (30; 30'; 30''; 30'''), the first and second contacting electrodes (1, 2) are arranged on a circuit board (10; 10'), the counter (120), the resistor (R) and/or the comparator (110) also being arranged on the circuit board.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Ventilanordnung und eine elektromechanische Einheit, die jeweils einen kapazitiven Drehsensor aufweisen.The present invention relates to a device, a valve arrangement and an electromechanical unit, each of which has a capacitive rotation sensor.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sensoren bekannt, welche auf Basis der Veränderung der Kapazität eines Kondensators arbeiten. Beispielsweise ist aus der
Nachteilig an den beschriebenen Ansätzen ist es, dass zur Bestimmung der Position eines Objekts eine aufwändige Auswerteschaltung verwendet wird, welche somit einen erhöhten Leistungsbedarf aufweist. Gerade im Zusammenhang mit sog. Energy-Harvesting-Einrichtungen, welche ohne eine zentrale Energieversorgung arbeiten, ist es jedoch wünschenswert, eine Positionsbestimmung mit möglichst geringem Leistungsverbrauch durchführen zu können.The disadvantage of the approaches described is that a complex evaluation circuit is used to determine the position of an object, which therefore has an increased power requirement. However, especially in connection with so-called energy harvesting devices, which work without a central energy supply, it is desirable to be able to carry out position determination with the lowest possible power consumption.
Drehgeber sind beispielsweise aus der
Kurzer Abriss der ErfindungBrief outline of the invention
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Drehgröße, insbesondere eine Umdrehungszahl, eine Winkelgeschwindigkeit, eine Anzahl von Umdrehungen und/oder eine Anzahl von Umdrehungen innerhalb einer Zeitperiode mit geringem Leistungsverbrauch, geringem Hardwareaufwand und einfachem Aufbau zu erfassen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, eine Ventilanordnung gemäß Anspruch 16 sowie eine elektromechanische Einheit gemäß Anspruch 17 gelöst.It is therefore the object of the invention to record a rotation variable, in particular a number of revolutions, an angular velocity, a number of revolutions and / or a number of revolutions within a time period with low power consumption, low hardware expenditure and a simple structure. This object is achieved by a device according to
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung bereit, welche Folgendes umfasst:
- - einen kapazitiven Drehsensor in Form eines Kondensators, welcher eine erste und eine davon elektrisch isolierte zweite Kontaktierelektrode umfasst, zwischen welchen eine Kapazität gebildet ist, welche in Abhängigkeit eines Drehwinkels eines Aktuators des Drehsensors periodisch variiert,
- - einen an den Kondensator gekoppelten Komparator, zum Beispiel einen Komparator mit Mitkopplung, vorzugsweise einen Schmitt-Trigger, welcher eine zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode des Kondensators abfallende Ladespannung mit einem oberen und einem unteren Schwellenwert vergleicht und basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs ein Ausgangssignal, insbesondere ein binäres Ausgangssignal, an einem Ausgang des Komparators ausgibt,
- - einen zwischen die erste Kontaktierelektrode und den Ausgang des Komparators gekoppelten Widerstand und
- - einen an den Ausgang des Komparators gekoppelten Zähler, wobei der Kondensator ferner eine Kopplungselektrode umfasst, welche von der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode elektrisch isoliert ist und relativ zu diesen um eine Achse drehbar ist, wobei die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode gebildete Kapazität durch Drehen der Kopplungselektrode um die Achse veränderbar ist, wobei die Kopplungselektrode als elektrisch leitende Schicht auf einem Zahnrad angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Kontaktierelektrode auf einer Leiterplatte angeordnet sind, wobei ferner der Zähler, der Widerstand und/oder der Komparator auf der Leiterplatte angeordnet sind.
- - a capacitive rotation sensor in the form of a capacitor, which comprises a first and a second contacting electrode electrically insulated therefrom, between which a capacitance is formed which varies periodically depending on a rotation angle of an actuator of the rotation sensor,
- - a comparator coupled to the capacitor, for example a comparator with positive feedback, preferably a Schmitt trigger, which compares a charging voltage falling between the first and the second contact electrode of the capacitor with an upper and a lower threshold value and based on a result of the comparison Outputs an output signal, in particular a binary output signal, at an output of the comparator,
- - a resistor coupled between the first contacting electrode and the output of the comparator and
- - a counter coupled to the output of the comparator, the capacitor further comprising a coupling electrode which is electrically insulated from the first and the second contacting electrodes and is rotatable about an axis relative thereto, the capacitance formed between the first and the second contacting electrodes can be changed by rotating the coupling electrode about the axis, the coupling electrode being arranged as an electrically conductive layer on a gear, the first and the second contacting electrodes being arranged on a circuit board, the counter, the resistor and/or the comparator also being on the Circuit board are arranged.
Dabei wird der Kondensator zunächst durch den Ausgang des Komparators über den Widerstand aufgeladen, bis die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt „kippt“ der Komparator, so dass der Kondensator anschließend über den Widerstand entladen wird, bis die Ladespannung den unteren Schwellenwert erreicht. Zu diesem Zeitpunkt „kippt“ der Komparator erneut, so dass der Kondensator anschließend wieder aufgeladen wird. An dem Ausgang des Komparators liegt somit in einigen Ausführungsformen ein binäres Signal vor, welches zwischen einem höheren und einem niedrigeren Ausgabewert wechselt. Die Frequenz, mit welcher der Ausgang des Komparators kippt, hängt dabei von der Kapazität des Kondensator ab. Da die Kapazität des Kondensators wiederum von dem Drehwinkel des Aktuators des Drehsensors abhängt, ist die Frequenz des Ausgangssignals des Komparators ein unmittelbares Maß für den Drehwinkel des Aktuators. Dieser lässt sich somit aus der Zählrate des direkt oder indirekt an den Ausgang des Komparators gekoppelten Zählers ablesen.The capacitor is first charged by the output of the comparator via the resistor until the charging voltage of the capacitor reaches the upper threshold value. At this point, the comparator “tips” so that the capacitor is then discharged through the resistor until the charging voltage reaches the lower threshold. At this point, the comparator “tips” again so that the capacitor is then charged again. In some embodiments, there is therefore a binary signal at the output of the comparator, which alternates between a higher and a lower output value. The frequency at which the comparator output changes depends on the capacitance of the capacitor. Since the capacitance of the capacitor in turn depends on the angle of rotation of the actuator of the rotation sensor, the frequency of the output signal of the comparator is a direct measure of the angle of rotation of the actuator. This can therefore be read from the count rate of the counter that is directly or indirectly coupled to the output of the comparator.
Der Zähler ist dabei dazu eingerichtet, eine Anzahl positiver und/oder negativer Pulse des binären Ausgangssignals zu zählen. In einigen Ausführungsformen triggert der Zähler auf positive und/oder negative Flanken des Ausgangssignals.The counter is set up to count a number of positive and/or negative pulses of the binary output signal. In some embodiments, the counter triggers on positive and/or negative edges of the output signal.
Gemäß einem Beispiel umfasst der Kondensator ferner eine Kopplungselektrode, welche von der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode elektrisch isoliert ist und relativ zu diesen um eine Achse drehbar ist, wobei die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode gebildete Kapazität durch ein Drehen der Kopplungselektrode um die Achse veränderbar ist. In dieser Ausführungsform ist es somit nicht erforderlich, den drehbar gelagerten Teil des Drehsensors elektrisch zu kontaktieren. Vielmehr können die erste und die zweite Kontaktierelektrode statisch angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode auf einem gemeinsamen Trägerteil wie beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet sein, wie weiter unten noch im Detail beschrieben ist. Die erste und die zweite Kontaktierelektrode können dabei nebeneinander angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen sind die erste und die zweite Kontaktierelektrode voneinander durch einen Steg und/oder Spalt getrennt. Die erste und/oder die zweite Kontaktierelektrode können im Bereich des Stegs bzw. des Spaltes eine Mäanderform aufweisen. Insbesondere können die erste und die zweite Kontaktierelektrode in diesem Bereich eine ineinandergreifende Mäanderform aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die Kopplungselektrode derart ausgeführt, dass sie die Kapazitätsänderung während einer Umdrehung einen asymmetrischen Verlauf zeigt, so dass daraus die Drehrichtung bestimmt werden kann.According to one example, the capacitor further comprises a coupling electrode which is electrically insulated from the first and second contacting electrodes and is rotatable relative thereto about an axis, wherein the capacitance formed between the first and second contacting electrodes is increased by rotating the coupling electrode about the axis is changeable. In this embodiment, it is therefore not necessary to electrically contact the rotatably mounted part of the rotation sensor. Rather, the first and second contacting electrodes can be arranged statically. In some embodiments, the first and second contacting electrodes may be arranged on a common carrier part such as a printed circuit board, as described in detail below. The first and second contacting electrodes can be arranged next to one another. In some embodiments, the first and second contacting electrodes are separated from each other by a web and/or gap. The first and/or the second contacting electrode can have a meander shape in the area of the web or the gap. In particular, the first and second contacting electrodes can have an interlocking meandering shape in this area. In a particularly preferred embodiment, the coupling electrode is designed in such a way that the change in capacitance during one revolution shows an asymmetrical course, so that the direction of rotation can be determined from this.
In einigen Beispielen sind die erste und die zweite Kontaktierelektrode an einem Stator angeordnet. Die Kopplungselektrode kann an einem Rotor angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen ist der kapazitive Drehsensor in einen Elektromotor integriert. Dabei kann die Kopplungselektrode des kapazitiven Drehsensors mit einem Rotor des Elektromotors drehgekoppelt sein. Die erste und die zweite Kontaktierelektrode können fest an einem Stator des Elektromotors angeordnet oder mit diesem fest verbunden sein.In some examples, the first and second contacting electrodes are arranged on a stator. The coupling electrode can be arranged on a rotor. In some embodiments, the capacitive rotation sensor is integrated into an electric motor. The coupling electrode of the capacitive rotation sensor can be rotationally coupled to a rotor of the electric motor. The first and second contacting electrodes can be firmly arranged on a stator of the electric motor or firmly connected to it.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode aus einer leitfähigen Schicht einer Leiterplatte gebildet sein. Dies ermöglicht die Herstellung der Kontaktierelektroden mittels bekannter Techniken zum Bearbeiten einer Leiterplatte. Wie weiter unten noch im Detail beschrieben ist, können auf der Leiterplatte ferner weitere Komponenten der Vorrichtung wie beispielsweise der Komparator und/oder der Widerstand angeordnet sein.In some embodiments, the first and second contacting electrodes may be formed from a conductive layer of a circuit board. This enables the contacting electrodes to be produced using known techniques for processing a circuit board. As will be described in detail below, further components of the device, such as the comparator and/or the resistor, can also be arranged on the circuit board.
Die Kopplungselektrode kann bezüglich der Achse zumindest eine Exzentrizität aufweisen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kopplungselektrode zwar eine kreisförmige Form aufweist, die Achse sich jedoch nicht in dem Mittelpunkt der kreisförmigen Form befindet. In einigen Ausführungsformen weist die Kopplungselektrode bezüglich der Achse mehr als eine Exzentrizität, insbesondere zwei, drei, vier, sechs oder acht Exzentrizitäten auf. Eine Exzentrizität liegt beispielsweise dann vor, wenn der Abstand der Umfangslinie der Kopplungselektrode zu der Achse in Abhängigkeit des Drehwinkels ein Maximum einnimmt. In einigen Ausführungsformen kann eine Exzentrizität dadurch gebildet sein, dass ein Abstand zwischen der Umfangslinie der Kopplungselektrode zu der Achse in Abhängigkeit des Drehwinkels ein Minimum einnimmt.The coupling electrode can have at least one eccentricity with respect to the axis. This can be achieved, for example, in that the coupling electrode has a circular shape, but the axis is not located in the center of the circular shape. In some embodiments, the coupling electrode has more than one eccentricity with respect to the axis, in particular two, three, four, six or eight eccentricities. An eccentricity occurs, for example, when the distance between the circumferential line of the coupling electrode and the axis reaches a maximum depending on the angle of rotation. In some embodiments, an eccentricity can be formed in that a distance between the circumferential line of the coupling electrode and the axis assumes a minimum depending on the angle of rotation.
In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Kontaktierelektrode einen gleichen Abstand von der Achse aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Kontaktierelektrode bezüglich der Achse um einen bestimmten Winkel voneinander versetzt sind. Die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode können die Form eines Kreissegments aufweisen.In some embodiments, the first and second contacting electrodes may be equidistant from the axis. In some embodiments it can be provided that the first and second contacting electrodes are offset from one another by a certain angle with respect to the axis. The first and/or second contacting electrodes can have the shape of a circle segment.
In einigen Beispielen umfasst der Kondensator mehrere erste und/oder mehrere zweite Kontaktierelektroden. Bei mehreren ersten bzw. mehreren zweiten Kontaktierelektroden können diese jeweils elektrisch miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsformen können die mehreren ersten Kontaktierelektroden jeweils eine gleiche Form aufweisen und/oder einen gleichen Abstand zu der Achse aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass die mehreren zweiten Kontaktierelektroden jeweils eine gleiche Form aufweisen und/oder einen gleichen Abstand zu der Achse aufweisen.In some examples, the capacitor includes a plurality of first and/or a plurality of second contacting electrodes. If there are several first or several second contacting electrodes, these can each be electrically connected to one another. In some embodiments, the plurality of first contacting electrodes may each have the same shape and/or be at the same distance from the axis. It can be provided that the plurality of second contacting electrodes each have the same shape and/or are at the same distance from the axis.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungselektrode zu der ersten und zweiten Kontaktierelektrode jeweils einen Abstand in axialer Richtung von mindestens 1 mm auf. Dies ermöglicht eine mechanische Trennung der statisch angeordneten Teile des Drehsensors von den rotierenden Teilen. Hierdurch kann die mechanische Robustheit des Drehsensors erhöht werden. In einigen Ausführungsformen weist die Kopplungselektrode zu der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode in axialer Richtung einen Abstand von zwischen 0,5 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm und bevorzugt zwischen 1,5 mm und 2,5 mm auf.According to a particularly preferred embodiment, the coupling electrode has a distance in the axial direction of at least 1 mm from the first and second contacting electrodes. This enables a mechanical separation of the statically arranged parts of the rotation sensor from the rotating parts. This allows the mechanical robustness of the rotation sensor to be increased. In some embodiments, the coupling electrode has a distance of between 0.5 mm and 5 mm from the first and/or second contacting electrode in the axial direction, in particular between 1 mm and 3 mm and preferably between 1.5 mm and 2.5 mm.
In einigen Ausführungsformen ist die Kopplungselektrode von der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode durch einen Luftspalt getrennt. Die Kopplungselektrode kann von der ersten und/oder zweiten Kontaktierelektrode durch eine Isolationsschicht getrennt sein. Die Isolationsschicht kann insbesondere auf der Kopplungselektrode und/oder der ersten bzw. zweiten Kontaktierelektrode vorgesehen sein. In einigen Ausführungsformen kann die Kopplungselektrode von der ersten und/oder der zweiten Kontaktierelektrode durch ein Gehäuseteil getrennt sein. Das Gehäuseteil kann insbesondere eine Unterseite eines Gehäuseabschnitts bilden, welcher die Kopplungselektrode und gegebenenfalls ein Trägerelement, auf welchem die Kopplungselektrode angeordnet ist, zumindest teilweise umgibt.In some embodiments, the coupling electrode is separated from the first and/or second contacting electrodes by an air gap. The coupling electrode can be separated from the first and/or second contacting electrode by an insulating layer. The insulation layer can be provided in particular on the coupling electrode and/or the first or second contacting electrode. In some embodiments, the coupling electrode can be separated from the first and/or the second contacting electrode by a housing part. The housing part can in particular form an underside of a housing section which at least partially surrounds the coupling electrode and optionally a carrier element on which the coupling electrode is arranged.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kopplungselektrode als elektrisch leitende Schicht auf einem Trägerelement angeordnet. Das Trägerelement kann dabei elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig sein. Es ist bevorzugt, dass die Kopplungselektrode durch Aufdampfen auf das Trägerelement erhältlich ist. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung der Komponenten.According to a preferred embodiment, the coupling electrode is arranged as an electrically conductive layer on a carrier element. The carrier element can be electrically insulating or electrically conductive. It is preferred that the coupling electrode is available by vapor deposition onto the carrier element. This enables the components to be manufactured easily.
Das Trägerelement kann auf einer Welle gelagert sein oder an eine Welle angeformt sein. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Welle durch eine Leiterplatte verläuft, auf welcher die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode angeordnet sind.The carrier element can be mounted on a shaft or molded onto a shaft. It is particularly preferred that the shaft runs through a circuit board on which the first and/or second contacting electrodes are arranged.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kopplungselektrode bezüglich der Achse eine n-fache Drehsymmetrie auf, wobei n eine positive und ganze Zahl ist. In diesen Ausführungsformen weist das an dem Zähler vorliegende Zählerergebnis bei einer vollständigen Drehung der Kopplungselektrode um die Achse einen Zuwachs von größer als eins auf. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Kopplungselektrode bezüglich der Achse eine 4-zählige, insbesondere eine 8-zählige und bevorzugt eine 16-zählige Drehsymmetrie aufweist. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der Drehzahl.According to a preferred embodiment, the coupling electrode has an n-fold rotational symmetry with respect to the axis, where n is a positive and integer. In these embodiments, the counter result present on the counter has an increment of greater than one when the coupling electrode rotates completely around the axis. It is particularly preferred that the coupling electrode has a 4-fold, in particular an 8-fold and preferably a 16-fold rotational symmetry with respect to the axis. This enables a more precise determination of the speed.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und/oder die zweite Kontaktierelektrode auf einer Leiterplatte angeordnet. Gegenüber anderen Ausführungsformen der Erfindung, in welchen die erste und die zweite Kontaktierelektrode beispielsweise auf verschiedenen Trägerteilen, beispielsweise verschiedenen Leiterplatten angeordnet sind, ermöglicht diese Ausführungsform eine einfachere Anordnung der Kontaktierelektroden und eine einfachere Fertigung.In a preferred embodiment, the first and/or the second contacting electrode are arranged on a circuit board. Compared to other embodiments of the invention, in which the first and second contacting electrodes are arranged, for example, on different carrier parts, for example different circuit boards, this embodiment enables a simpler arrangement of the contacting electrodes and simpler production.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass ferner der Zähler und/oder der Komparator auf der Leiterplatte angeordnet sind. Somit ist nur eine Leiterplatte zur Anordnung mehrerer Komponenten erforderlich, wodurch die Vorrichtung weniger Bauteile benötigt, kleiner ausgeführt werden kann und einfacher herzustellen ist.It is particularly preferred that the counter and/or the comparator are also arranged on the circuit board. Thus, only one circuit board is required to arrange multiple components, meaning that the device requires fewer components, can be made smaller and is easier to manufacture.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der Kopplungselektroden durch eine Abschirmelektrode vor dem Einfluss elektromagnetischer Störfelder geschützt. Besonders bevorzugt ist die Abschirmelektrode oberhalb oder unterhalb mindestens einer der Kontaktierelektroden angeordnet, so dass die Kontaktierelektrode zwischen Kopplungselektrode und Abschirmelektrode liegt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abschirmelektrode als Gitter ausgeführt und / oder direkt auf der Leiterplatte angebracht. Die Abschirmelektrode kann beispielsweise durch Aufdampfen auf der Leiterplatte angebracht werden. Die Abschirmelektrode ist beispielsweise zwischen 0,4 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,6 mm und 1,5 mm und bevorzugt etwa 1 mm von der mindestens einen Kontaktierelektrode beabstandet.According to a preferred embodiment, at least one of the coupling electrodes is protected from the influence of electromagnetic interference fields by a shielding electrode. Particularly preferably, the shielding electrode is arranged above or below at least one of the contacting electrodes, so that the contacting electrode lies between the coupling electrode and the shielding electrode. In a preferred embodiment, the shielding electrode is designed as a grid and/or attached directly to the circuit board. The shielding electrode can be attached to the circuit board, for example by vapor deposition. The shielding electrode is spaced, for example, between 0.4 mm and 2 mm, in particular between 0.6 mm and 1.5 mm and preferably about 1 mm from the at least one contacting electrode.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Komparator eine Oszillatorschaltung auf.In a preferred embodiment, the comparator has an oscillator circuit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Komparator ein Schmitt-Trigger und besonders bevorzugt ein invertierender Schmitt-Trigger. Letzteres ist insbesondere in Ausführungsformen vorteilhaft, in welchen die zweite Kontaktierelektrode, welche nicht mit dem Widerstand gekoppelt ist, ein gegenüber der Versorgungsspannung negatives Potential aufweist. Ein invertierender Schmitt-Trigger schaltet das am Ausgang ausgegebene Signal auf einen negativen Wert, sobald die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert erreicht. Hierdurch wird die erste Kontaktierelektrode über den Widerstand auf einen niedrigen Pegel gezogen. Wenn sich auch die zweite Kontaktierelektrode auf dem niedrigen Pegel befindet, wird der Kondensator somit entladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators den unteren Schwellenwert erreicht, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger den Ausgang auf einen hohen Pegel, welcher über den Widerstand auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators anliegt. Der Kondensator wird somit wieder aufgeladen. Einen Schmitt-Trigger als Komparator zu verwenden hat den Vorteil, dass alle wesentlichen Komponenten der Oszillatorschaltung bereits in typischen Mikrocontrollern vorhanden sind.According to a preferred embodiment, the comparator is a Schmitt trigger and particularly preferably an inverting Schmitt trigger. The latter is particularly advantageous in embodiments in which the second contacting electrode, which is not coupled to the resistor, has a negative potential compared to the supply voltage. An inverting Schmitt trigger switches the signal output at the output to a negative value as soon as the charging voltage of the capacitor reaches the upper threshold value. This causes the first contacting electrode to be pulled to a low level via the resistance. If the second contacting electrode is also at the low level, the capacitor is thus discharged. As soon as the charging voltage of the capacitor reaches the lower threshold value, the inverting Schmitt trigger switches the output to a high level, which is also applied to the first contacting electrode of the capacitor via the resistor. The capacitor is thus recharged. Using a Schmitt trigger as a comparator has the advantage that all essential components of the oscillator circuit are already present in typical microcontrollers.
Anstelle eines Schmitt-Triggers kann in anderen Ausführungsformen auch eine andere Oszillatorschaltung zur Kapazitätsbestimmung verwendet werden, in der das Ausgangssignal im Wesentlichen von der Kapazität eines Schwingungsgliedes abhängig ist. Es kann aber auch anstelle einer Oszillatorschaltung die Kapazität auf eine andere Art und Weise gemessen werden um die Positionsmessung zu realisieren.In other embodiments, instead of a Schmitt trigger, another oscillator circuit can be used to determine the capacity, in which the output signal is im Essentially depends on the capacity of an oscillating member. However, instead of using an oscillator circuit, the capacitance can also be measured in a different way in order to realize the position measurement.
Ohne die Erfindung darauf einzuschränken, wird diese im Folgenden anhand der bevorzugten Ausführungsformen mit einem invertierenden Schmitt-Trigger als Komparator zur Kapazitätsbestimmung beschrieben.Without restricting the invention, it will be described below using the preferred embodiments with an inverting Schmitt trigger as a comparator for determining capacity.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die zweite Kontaktierelektrode auf einem zeitlich konstanten elektrischen Potential. Dies ergibt einen einfacheren Zusammenhang zwischen dem an dem Zähler vorliegenden Zählergebnis und dem Drehwinkel des Aktuators, ohne dass der Effekt eines zeitlich variierenden Bezugspotentials berücksichtigt werden muss. Die zweite Kontaktierelektrode kann insbesondere auf Masse liegen. Beispielsweise kann die zweite Kontaktierelektrode auf der Masse einer Motoransteuerung liegen, an die die Vorrichtung gekoppelt oder welche in die Vorrichtung integriert ist.According to a preferred embodiment, the second contacting electrode is at an electrical potential that is constant over time. This results in a simpler connection between the counting result present on the counter and the angle of rotation of the actuator, without the effect of a time-varying reference potential having to be taken into account. The second contacting electrode can in particular be grounded. For example, the second contacting electrode can be on the ground of a motor control to which the device is coupled or which is integrated into the device.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass der Komparator den Ausgang auf das zeitlich konstante elektrische Potential schaltet, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet. In diesen Ausführungsformen weist der Ausgang des Komparators das gleiche elektrische Potential auf wie die zweite Kontaktierelektrode, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet. Der Kondensator wird damit über den Widerstand entladen.It is particularly preferred that the comparator switches the output to the electrical potential that is constant over time when the charging voltage of the capacitor exceeds the upper threshold value. In these embodiments, the output of the comparator has the same electrical potential as the second contacting electrode when the charging voltage of the capacitor exceeds the upper threshold. The capacitor is thus discharged via the resistor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der kapazitive Drehsensor mehr als zwei Kontaktierelektroden auf und die Kontaktierelektroden liegen auf mindestens drei unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Der Komparator kann den Ausgang in einigen Ausführungsformen auf ein niedrigeres elektrisches Potential schalten, wenn die Ladespannung des Kondensators den oberen Schwellenwert überschreitet.According to a preferred embodiment, the capacitive rotation sensor has more than two contacting electrodes and the contacting electrodes are at at least three different electrical potentials. The comparator may, in some embodiments, switch the output to a lower electrical potential when the charging voltage of the capacitor exceeds the upper threshold.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung weiter einen Signalgenerator zum Erzeugen eines gepulsten Signals, welcher mit dem Zähler gekoppelt ist, wobei der Zähler Pulse des Ausgangssignals des Komparators jeweils während eines Pulses des gepulsten Signals zählt. Das gepulste Signal kann insbesondere an einen Aktivierungseingang des Zählers gekoppelt sein. Insbesondere kann der Signalgenerator in einigen Ausführungsformen ein gepulstes Signal mit einer konstanten Frequenz und einem konstanten Taktverhältnis erzeugen. Der Zähler zählt die Pulse des Ausgangssignals des Komparators nur während eines Pulses des Signalgenerators. Dies ermöglicht es, dass eine Veränderung der Frequenz des Ausgangssignals des Komparators und somit eine Veränderung des Drehwinkels des Aktuators des Drehsensors detektiert werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass der Signalgenerator programmierbar ist, um eine Frequenz und/oder ein Taktverhältnis des gepulsten Signals vorzugeben.According to a preferred embodiment, the device further comprises a signal generator for generating a pulsed signal, which is coupled to the counter, the counter counting pulses of the output signal of the comparator during each pulse of the pulsed signal. The pulsed signal can in particular be coupled to an activation input of the counter. In particular, in some embodiments, the signal generator may generate a pulsed signal with a constant frequency and a constant duty cycle. The counter counts the pulses of the comparator's output signal only during a pulse of the signal generator. This makes it possible for a change in the frequency of the output signal of the comparator and thus a change in the angle of rotation of the actuator of the rotation sensor to be detected. It can be provided that the signal generator is programmable in order to specify a frequency and/or a clock ratio of the pulsed signal.
In einigen Ausführungsformen setzt der Zähler ein Zählerergebnis am Ende eines Taktes des gepulsten Signals des Signalgenerator zurück. Das am Ende eines Taktes des gepulsten Signals vorliegende Zählergebnis des Zählers ist somit ein Maß für die mittlere Zählrate während des Pulses und somit für die Kapazität des Kondensators. Die Zählrate ist in etwa invers proportional zu der Kapazität des Kondensators. Das am Ende des Taktes vorliegende Zählergebnis ist somit ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators.In some embodiments, the counter resets a counter result at the end of a cycle of the signal generator's pulsed signal. The counting result of the counter present at the end of a cycle of the pulsed signal is therefore a measure of the average counting rate during the pulse and thus of the capacitance of the capacitor. The count rate is approximately inversely proportional to the capacitance of the capacitor. The counting result at the end of the cycle is therefore a measure of the angle of rotation of the actuator.
In einigen Ausführungsformen erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einer Frequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 200 Hz und 50 kHz und bevorzugt zwischen 500 Hz und 10 kHz. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einer Frequenz von etwa 1 kHz. In einigen Ausführungsformen erzeugt der Signalgenerator das gepulste Signal mit einem Pulsweitenverhältnis von zwischen 0,1 und 0,9, insbesondere zwischen 0,3 und 0,7 und bevorzugt zwischen 0,4 und 0,6. Es ist besonders bevorzugt, dass der Signalgenerator das gepulste Signal mit einem Pulsweitenverhältnis von etwa 0,5 erzeugt.In some embodiments, the signal generator generates the pulsed signal with a frequency between 100 Hz and 100 kHz, in particular between 200 Hz and 50 kHz and preferably between 500 Hz and 10 kHz. In a particularly preferred embodiment, the signal generator generates the pulsed signal with a frequency of approximately 1 kHz. In some embodiments, the signal generator generates the pulsed signal with a pulse width ratio of between 0.1 and 0.9, in particular between 0.3 and 0.7 and preferably between 0.4 and 0.6. It is particularly preferred that the signal generator generates the pulsed signal with a pulse width ratio of approximately 0.5.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der kapazitive Drehsensor, der Widerstand sowie der obere und der untere Schwellenwert derart ausgelegt, dass das Ausgangssignal am Ausgang des Komparators eine Frequenz zwischen 5 kHz und 10 MHz, insbesondere zwischen 50 kHz und 5 MHz, bevorzugt zwischen 100 kHz und 10 MHz und besonders bevorzugt zwischen 500 kHz und 2 MHz aufweist. Das Verhältnis der Frequenz des gepulsten Signals des Signalgenerators zu einer mittleren Frequenz am Ausgang des Komparators kann kleiner als 1:50 sein. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis kleiner als 1:100, insbesondere kleiner als 1:500 und bevorzugt kleiner als 1: 1000 sein. Die Versorgungsspannung des Komparators liegt beispielsweise zwischen 1,8 V und 5,5 V, bevorzugt zwischen 2,5 V und 3,3 V. Der Komparator weist in einigen Ausführungsformen eine Eingangshysterese auf, so dass ein hohes Logik-Level eingestellt wird, wenn die Eingangsspannung beispielsweise kleiner als ein unterer Spannungswert, z.B. 30% der Versorgungsspannung, ist, während ein niedriges Logik-Level eingestellt wird, wenn die Eingangsspannung beispielsweise über einem oberen Spannungswert liegt, der z.B. 70% der Versorgungsspannung entsprechen kann.According to a preferred embodiment, the capacitive rotation sensor, the resistance and the upper and lower thresholds are designed such that the output signal at the output of the comparator has a frequency between 5 kHz and 10 MHz, in particular between 50 kHz and 5 MHz, preferably between 100 kHz and 10 MHz and particularly preferably between 500 kHz and 2 MHz. The ratio of the frequency of the pulsed signal from the signal generator to a mean frequency at the output of the comparator can be less than 1:50. In some embodiments, the ratio may be less than 1:100, in particular less than 1:500 and preferably less than 1:1000. The supply voltage of the comparator is, for example, between 1.8 V and 5.5 V, preferably between 2.5 V and 3.3 V. In some embodiments, the comparator has an input hysteresis so that a high logic level is set when the input voltage is, for example, less than a lower voltage value, for example 30% of the supply voltage, while a low logic level is set if the input voltage is, for example, above an upper voltage voltage value, which can correspond to, for example, 70% of the supply voltage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner einen an den Zähler gekoppelten Sender und/oder eine an den Zähler gekoppelte Schnittstelle, beispielsweise mit einem Sender zum Übertragen eines Zählergebnisses oder einer Zählrate des Zählers, auf. In einigen Ausführungsformen kann die Schnittstelle dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis leitungsgebunden, insbesondere kabelgebunden und/oder kabellos zu übertragen. Die Schnittstelle kann insbesondere dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis über eine Funkschnittstelle und/oder eine optische Schnittstelle, beispielsweise eine IR-Schnittstelle mittels eines Senders zu übertragen. In einigen Ausführungsformen überträgt die Schnittstelle, bzw. der Sender, das Zählergebnis jeweils zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb eines Taktes des gepulsten Signals des Signalgenerators und/oder jeweils nach Ablauf von k Takten des gepulsten Signals. Diese Ausführungsformen ermöglichen es, dass das Zählergebnis des Zählers und somit die Kapazität des Kondensators, welcher ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators ist, an einen externen Empfänger übertragen werden kann.According to a preferred embodiment, the device further has a transmitter coupled to the counter and/or an interface coupled to the counter, for example with a transmitter for transmitting a counting result or a counting rate of the counter. In some embodiments, the interface can be set up to transmit the counting result in a wired manner, in particular in a wired manner and/or wirelessly. The interface can in particular be set up to transmit the counting result via a radio interface and/or an optical interface, for example an IR interface, using a transmitter. In some embodiments, the interface or the transmitter transmits the counting result at a specified time within one cycle of the pulsed signal of the signal generator and/or after k cycles of the pulsed signal have elapsed. These embodiments make it possible for the counting result of the counter and thus the capacitance of the capacitor, which is a measure of the angle of rotation of the actuator, to be transmitted to an external receiver.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner ein thermoelektrisches Element und/oder ein photoelektrisches Element zur elektrischen Versorgung des Komparators, des Zählers, des Signalgenerators und/oder des Senders auf. Dies ermöglicht eine von einer Netzversorgung unabhängige Leistungsversorgung der Bauelemente.In some embodiments, the device further comprises a thermoelectric element and/or a photoelectric element for electrically supplying the comparator, the counter, the signal generator and/or the transmitter. This enables a power supply to the components that is independent of a mains supply.
In einigen Ausführungsformen weist die Vorrichtung ferner einen an einen Ausgang des Zählers gekoppelten Speicher auf, welcher dazu eingerichtet ist, ein oder mehrere Zählergebnisse zu speichern. Insbesondere kann der Zähler und/oder der Speicher dazu eingerichtet sein, das Zählergebnis des Zählers periodisch, beispielsweise mit der Periode des gepulsten Signals des Signalgenerators in dem Speicher abzuspeichern. Dies ermöglicht es, auf vorangegangene Zählergebnisse zurückzugreifen. Ferner kann die Vorrichtung eine Auswertelogik aufweisen, um Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden in dem Speicher gespeicherten Zählergebnissen zu bilden, um eine Umdrehungsgeschwindigkeit und/oder Drehzahl des Aktuators zu bestimmen. Durch die Differenzbildung wird eine zeitliche Veränderung der mittleren Zählrate des Zählers und somit der Kapazität ermittelt. Eine solche zeitliche Veränderung der Kapazität zeigt eine Änderung des Drehwinkels des Aktuators an.In some embodiments, the device further comprises a memory coupled to an output of the counter, which is designed to store one or more counting results. In particular, the counter and/or the memory can be set up to store the count result of the counter periodically in the memory, for example with the period of the pulsed signal of the signal generator. This makes it possible to access previous counting results. Furthermore, the device can have evaluation logic in order to form differences between successive counting results stored in the memory in order to determine a rotational speed and/or rotational speed of the actuator. By forming the difference, a change over time in the average counting rate of the counter and thus in the capacity is determined. Such a change in capacity over time indicates a change in the angle of rotation of the actuator.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Ventilanordnung, insbesondere mit einem Heizungsventil, bereit, welche eine Vorrichtung der beschriebenen Art zum Bestimmen einer Ventilstellung aufweist. Auf diese Weise kann die Ventilstellung beispielsweise eines Heizungsventils mit geringem Leistungsverbrauch ausgelesen und beispielsweise an einen Empfänger übertragen werden.In a further aspect, the invention provides a valve arrangement, in particular with a heating valve, which has a device of the type described for determining a valve position. In this way, the valve position of, for example, a heating valve with low power consumption can be read and, for example, transmitted to a receiver.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine elektromechanische Einheit mit einem Motor und einer Vorrichtung der beschriebenen Art bereit, wobei ein Rotor des Motors an den Aktuator des Drehsensors gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die Rotorstellung des Motors ausgelesen werden. Die elektromechanische Einheit kann insbesondere als Ventilanordnung, beispielsweise als Heizungsventilanordnung ausgebildet sein. Der Aktuator des Drehsensors kann beispielsweise ein Zahnrad sein, das als Teil eines Getriebes mit einer Antriebswelle eines Elektromotors verbunden ist. Im Falle einer Heizungsventilanordnung, bzw. eines Heizungsventilverstellers, treibt der Elektromotor über das Getriebe eine Abtriebswelle zum Verstellen eines Heizungsventils an.In a further aspect, the invention provides an electromechanical unit with a motor and a device of the type described, wherein a rotor of the motor is coupled to the actuator of the rotation sensor. In this way, the rotor position of the motor can be read. The electromechanical unit can in particular be designed as a valve arrangement, for example as a heating valve arrangement. The actuator of the rotation sensor can be, for example, a gear that is connected to a drive shaft of an electric motor as part of a transmission. In the case of a heating valve arrangement or a heating valve adjuster, the electric motor drives an output shaft via the gearbox for adjusting a heating valve.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektromechanische Einheit ferner eine elektrische Motoransteuerung auf, wobei zumindest ein Teil der Motoransteuerung sowie der Komparator und der Zähler auf einer Leiterplatte angeordnet sind. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen auch die erste und/oder zweite Kontaktierelektrode des Drehsensors auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dies ermöglicht eine kompakte Anordnung der Bauelemente.According to a preferred embodiment, the electromechanical unit further has an electrical motor control, with at least part of the motor control as well as the comparator and the counter being arranged on a circuit board. In addition, in some embodiments, the first and/or second contacting electrode of the rotation sensor can also be arranged on the circuit board. This enables a compact arrangement of the components.
Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich. Darin zeigt
-
1a einen Ausschnitt einer Vorrichtung, -
1b eine Explosionszeichnung der Vorrichtung nach1a , -
1c die Darstellung der Vorrichtung nach1a,b in einer Ansicht von schräg unten, -
2a eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer Kopplungselektrode, -
2b das Trägerelement und die Kopplungselektrode nach2a in einer Ansicht von unten, -
2c eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer alternativ ausgestalteten Kopplungselektrode, -
2d das Trägerelement und die Kopplungselektrode nach2c in einer Ansicht von unten, -
3a eine Explosionszeichnung eines Ausschnitts einer Vorrichtung von schräg unten, -
3b die Explosionszeichnung nach3a in einer Ansicht von schräg oben, -
4a eine Explosionszeichnung eines Trägerelements mit einer Kopplungselektrode von schräg oben, -
4b eine Explosionszeichnung des Trägerelements mit Kopplungselektrode gemäß4a von schräg unten -
5 die Veränderung der Kapazität des Kondensators in Abhängigkeit von dem Drehwinkel des Aktuators, -
6 eine Schaltskizze der Vorrichtung, -
7 Zählergebnisse des Zählers über mehrere Pulse eines Signalgenerators bei sich veränderndem Drehwinkel und -
8a,b eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
-
1a a section of a device, -
1b an exploded view of the device1a , -
1c the representation of the device1a,b in a view diagonally from below, -
2a an exploded view of a carrier element with a coupling electrode, -
2 B the carrier element and the coupling electrode2a in a view from below, -
2c an exploded drawing of a carrier element with an alternatively designed coupling electrode, -
2d the carrier element and the coupling electrode2c in a view from below, -
3a an exploded drawing of a section of a device diagonally from below, -
3b the exploded view3a in a view diagonally from above, -
4a an exploded view of a carrier element with a coupling electrode diagonally from above, -
4b an exploded view of the carrier element with coupling electrode4a from diagonally below -
5 the change in the capacitance of the capacitor depending on the angle of rotation of the actuator, -
6 a circuit diagram of the device, -
7 Counting results of the counter over several pulses of a signal generator with changing angle of rotation and -
8a,b a device according to a further embodiment.
In den
Auf der Unterseite des Trägerelements 30 befindet sich eine Kopplungselektrode 3 (s.
Während einer Drehung des Trägerelements 30 verändert sich eine räumliche Überlappung zwischen der Kopplungselektrode 3 und den Kontaktierelektroden 11, 12 und 2. Aufgrund der bezüglich der durch das Achselement 4 definierten Achse nicht rotationssymmetrischen Anordnung der Kopplungselektrode 3 verändert sich hierdurch die zwischen den zusammengeschalteten Elektroden 11, 12 und der Kontaktierelektrode 2 gebildete Kapazität. Der Verlauf der Kapazität in Abhängigkeit des Drehwinkels des Trägerelements 30 ist dabei periodisch in dem Drehwinkel des Trägerelements 30 mit einer Periode von 90°. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Kontaktierelektroden 11 und 12 nicht miteinander zu einer Gesamtelektrode verbunden, sondern einzeln kontaktiert. Dabei werden die Kontaktierelektroden 11 und 12 auf unterschiedliche elektrische Potentiale gesetzt, so dass mit einer geeigneten Gegenelektrode über die Kapazitätsänderung auch die Drehrichtung detektiert werden kann. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die beiden Kontaktierelektroden 11, 12 auf ein gemeinsames elektrisches Potential gesetzt werden, weisen aber unterschiedliche Kapazitäten auf, indem ihre Fläche, Form und/oder ihr axialer Abstand (senkrecht zur Leiterplattenebene) zur Gegenelektrode 3 verschieden gewählt werden. Zum Beispiel kann die Leiterplatte eine kleine Stufe aufweisen, auf der eine der beiden Kontaktierelektroden 11, 12 aufgebracht ist. Dadurch sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben, mit denen eine Detektion der Drehrichtung über eine Kapazitätsänderung möglich ist.During a rotation of the
Im Beispiel der
Eine weitere, optionale aber vorteilhafte Ausgestaltung ist durch das Anbringen einer Abschirmelektrode 13 gegeben. Diese in
Ein Beispiel für eine Kopplungselektrode mit 2-zähliger Drehsymmetrie ist in den
Die
In den
Zur Illustration der Wirkungsweise der Vorrichtung wird zunächst angenommen, dass der Ausgang 111 des Schmitt-Triggers einen hohen Pegel zeigt. Dieser liegt über den Widerstand R auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators C an, so dass der Kondensator C über den Widerstand R geladen wird. Sobald die zwischen der ersten und der zweiten Kontaktierelektrode des Kondensators gemessene Ladespannung einen vordefinierten oberen Schwellenwert überschreitet, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger 110 seinen Ausgang 111 auf einen niedrigen Pegel. Dieser liegt über den Widerstand R auch an der ersten Kontaktierelektrode des Kondensators C an. Der Kondensator C wird nun über den Widerstand R wieder entladen. Sobald die Ladespannung des Kondensators C unter einen vorbestimmten unteren Schwellenwert sinkt, schaltet der invertierende Schmitt-Trigger 110 seinen Ausgang 111 auf einen hohen Pegel und der Kondensator C wird erneut geladen. Durch das wiederholte Laden und Entladen des Kondensators C kippt der Ausgang des Schmitt-Triggers zwischen hohem und niedrigem Pegel und es ergibt sich das mit Bezugzeichen 115 dargestellte binäre Ausgangssignal des Schmitt-Triggers 110.To illustrate how the device works, it is first assumed that the
Die Periode des Ausgangssignals 115 hängt dabei von der Kapazität des Kondensators C, dem Widerstand R sowie dem oberen und dem unteren Schwellenwert des Schmitt-Triggers 110 ab. Von diesen Einflussgrößen ist lediglich die Kapazität des Kondensators C veränderbar. Je größer die Kapazität des Kondensators C ist, desto größer ist die Zeitperiode, welche zum Laden bzw. Entladen des Kondensators C erforderlich ist. Somit hängt auch die Periode des Ausgangssignals 115 des Schmitt-Triggers 110 von der Kapazität des Kondensators C ab. Da die Kapazität des Kondensators C wiederum von einem Drehwinkel des Aktuators des Drehsensors abhängt, ist die Frequenz des am Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 ausgegebenen Signals 115 ein Maß für den Drehwinkel des Aktuators.The period of the
Das Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110 ist ferner an den Zähleingang 121 des Zählers 120 gekoppelt. Der Zähler 120 zählt die positiven Pulse in dem Ausgangssignal 115 des Schmitt-Triggers 110. In anderen Ausführungsformen triggert der Zähler 120 auf negative Pulse oder auf positive oder negative Flanken in dem Ausgangssignal 115.The
Der Zähler 120 zählt die in den Signal 115 an dem Ausgang 111 des Schmitt-Triggers 110 vorliegenden Pulse nur jeweils während eines Pulses in dem Signal 125 an dem Aktivierungseingang 122 des Zählers 120. Während des Rests eines Taktes des Signals 125, d.h., wenn kein Puls vorliegt, bleibt das Zählerergebnis des Zählers 120 konstant. Dieses Zählerergebnis zeigt eine mittlere Zählrate des Zählers 120 während des vorangegangenene Pulses und somit eine Frequenz des Signals 115 an. Es kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Vorrichtung dieses konstante Zählerergebnis mittels eines Senders (nicht gezeigt) überträgt, während das Signal 125 keinen Puls zeigt. Am Ende jedes Taktes des Signals 125, d.h. zu Beginn des jeweils nächsten Pulses wird das Zählerergebnis des Zählers auf null gesetzt.The
In den
Die in den
Weitere Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen sind möglich. Beispielsweise kann anstelle eines invertierenden Schmitt-Triggers in einigen Ausführungsformen eine andere Meßvorrichtung zur Kapazitätsbestimmung genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Ausführungsformen können der Komparator, der Zähler und/oder der Signalgenerator der Vorrichtung auf der gleichen Leiterplatte angeordnet sein wie die Kontaktierelektroden. Es kann in einigen Ausführungsformen vorgesehen sein, dass die Vorrichtung einen Sender zum Übertragen eines Zählergebnisses des Zählers aufweist. Die Kopplungselektrode oder eine der Kontaktierelektroden kann mit dem Rotor eines Motors oder einem beweglichen Teil eines Ventils gekoppelt sein.Further modifications of the illustrated embodiments are possible. For example, in some embodiments, another measuring device can be used to determine the capacity instead of an inverting Schmitt trigger. Alternatively or in addition to the described embodiments, the comparator, the counter and/or the signal generator of the device can be arranged on the same circuit board as the contacting electrodes. In some embodiments it can be provided that the device has a transmitter for transmitting a counting result of the counter. The coupling electrode or one of the contacting electrodes can be coupled to the rotor of a motor or a movable part of a valve.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1, 1', 2, 2'1, 1', 2, 2'
- KontaktierelektrodeContacting electrode
- 10, 10', 10'''10, 10', 10'''
- LeiterplatteCircuit board
- 11, 12,11, 12,
- KontaktierelektrodeContacting electrode
- 13, 13'13, 13'
- Abschirmelektrodeshielding electrode
- 16, 16'16, 16'
- Öffnungopening
- 3, 3', 3''3, 3', 3''
- KopplungselektrodeCoupling electrode
- 30, 30', 30'', 30'''30, 30', 30'', 30'''
- TrägerelementSupport element
- 4, 4'4, 4'
- AchselementAxle element
- 5, 5'5, 5'
- GehäuseHousing
- 51, 51'51, 51'
- Bodenplattebase plate
- 6, 6'6, 6'
- Getrieberadgear wheel
- 110110
- Komparatorcomparator
- 111111
- AusgangExit
- 115115
- Signalsignal
- 120120
- Zählercounter
- 121121
- ZähleingangCounting input
- 122122
- AktivierungseingangActivation input
- 125125
- Signalsignal
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