DE102019207322B4

DE102019207322B4 - Optische Ablesevorrichtung für ein Zeigerinstrument

Info

Publication number: DE102019207322B4
Application number: DE102019207322.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Huck; Stefan Klehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2039-05-21
Also published as: WO2020234302A1; DE102019207322A1; US20220236088A1; CN113853509A

Abstract

Optische Ablesevorrichtung (1) für ein Zeigerinstrument (3) welches einen Zeiger (4) und ein Skalen- oder Ziffernblatt (6) mit jeweils unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweist, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts (6) und eine Mehrzahl von Lichtsensorelementen (8), die in einem Kreisbogen (9) um die Drehachse (5) des Zeigers (4) herum zum Erfassen des von dem Skalen- oder Ziffernblatt (6) zurückreflektierten Lichts (11) der Beleuchtungseinrichtung (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (7) zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts (6) zumindest in dem dem Kreisbogen (9) gegenüberliegenden Bereich ausgebildet ist und dass die Lichtsensorelemente (8) jeweils mit gleichschenkligem Dreiecksgrundriss ausgebildet und dabei in Umfangsrichtung des Kreisbogens (9) jeweils um eine halbe Basisbreite zueinander versetzt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Ablesevorrichtung für ein Zeigerinstrument nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Ablesevorrichtung für ein Zeigerinstrument ist aus der WO 2007/147609 A2 bekannt.
Im Feld bereits installierte Zeigerinstrumente wie z. B. Manometer oder Thermometer usw. werden in der Regel vor Ort von einer Person abgelesen. Es besteht das Bedürfnis, diese Zeigerinstrumente aus der Ferne abzulesen, ohne dass eine Person sich vor Ort begeben muss. Zudem soll das Ablesen der mit der Zeigerstellung angezeigten Messgröße automatisch erfolgen und als Messwert in digitaler Form zur Verfügung gestellt werden.
Oft befindet sich vor Ort keine elektrische Energieversorgung und keine Datenleitung. Eine technische Vorrichtung, die die Zeigerstellung automatisch abliest, soll daher möglichst wenig Energie verbrauchen und in der Lage sein, den Messwert drahtlos zu übertragen. Zudem darf diese technische Vorrichtung nur wenig kosten, damit sich eine derartige Nachrüstung für den Betreiber lohnt.
Man kann, wie z. B. aus der EP 2 905 595 A1 bekannt, das Zeigerinstrument mit einer digitalen Kamera ablichten und an einem entfernten Monitor darstellen oder den angezeigten Messwert mittels digitaler Bildverarbeitung automatisiert ermitteln.
Aus der oben genannten WO 2007/147609 A2 ist ein Überwachungsgerät für ein einen Zeiger und ein Skalen- oder Ziffernblatt mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweisendes Zeigerinstrument bekannt. Das Überwachungsgerät umfasst mindestens ein Erfassungsmittel mit einer Lichtquelle und einem Sensor, das an dem Messgerät befestigt ist und nach Art einer Reflexionslichtschranke detektiert, wenn der Zeiger eine vorgegebene Position erreicht und dabei das von dem Skalen- oder Ziffernblatt in Richtung des Sensors zurückreflektierte Licht unterbricht. Die Lichtquelle und der Sensor können nebeneinander auf der Glasabdeckung des Zeigerinstrument befestigt sein. Es können die mehrere Erfassungsmittel (Reflexionslichtschranken) ringförmig um die Drehachse des Zeigers herum angeordnet sein, so dass auf diese Weise die Position des Zeigers gegenüber der Messwertskala in Segmenten erfasst werden kann. Dabei können die Segmente gleiche oder verschiedene Winkelausdehnungen aufweisen. Die Mittel zur Befestigung des Überwachungsgeräts an dem Zeigerinstrument können zumindest teilweise aus einem transparenten Material wie Plexiglas ausgebildet sein, so dass Bereiche der Messwertskala oder auch der Zeiger sichtbar bleiben. Die Befestigung kann mittels Schrauben, eines Schnappmechanismus oder mit Klebestreifen erfolgen.
Aus der US 6,157,311 A und US 4,275,393 A sind weitere optische Ablesevorrichtungen für ein analoges Zeigerinstrument bekannt, bei denen das Zeigerinstrument beleuchtet wird und mittels eines Lichtsensors eine Zeigerposition bzw. ein Überschreiten der Zeigerposition detektiert werden. Bei aus der US 8,325,050 B1 und der US 7,377,184 B1 bekannten Ablesevorrichtungen werden auf die gleiche Weise die Bewegung einer dreieckförmigen Markierung auf der Zeigerbasis bzw. die Bewegung eines Anlaufsterns eines Wasserzählers detektiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kontinuierlich-analoge Zeigerstellung mit einfachen Mitteln zu erfassen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 definierte optische Ablesevorrichtung gelöst, von der vorteilhafte Weiterbildungen in den Unteransprüchen angegeben sind.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine optische Ablesevorrichtung für ein Zeigerinstrument welches einen Zeiger und ein Skalen- oder Ziffernblatt mit jeweils unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweist, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts und eine Mehrzahl von Lichtsensorelementen, die in einem Kreisbogen um die Drehachse des Zeigers herum zum Erfassen des von dem Skalen- oder Ziffernblatt zurückreflektierten Lichts der Beleuchtungseinrichtung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts zumindest in dem dem Kreisbogen gegenüberliegenden Bereich ausgebildet ist und dass die Lichtsensorelemente jeweils mit gleichschenkligem Dreiecksgrundriss ausgebildet und dabei in Umfangsrichtung des Kreisbogens jeweils um eine halbe Basisbreite zueinander versetzt angeordnet sind.
Der Winkelbereich des Kreisbogens, in dem die Lichtsensorelemente um die Drehachse des Zeigers herum angeordnet sind, sollte zumindest dem Ausschlagbereich des Zeigers des Zeigerinstruments entsprechen. Um die optische Ablesevorrichtung weitgehend unabhängig von der Bauart des Zeigerinstruments verwenden zu können, können die Lichtsensorelemente in einem geschlossenen Kreis angeordnet sein.
Dadurch, dass die dreieckförmigen Lichtsensorelemente in Umfangsrichtung des Kreisrings jeweils um eine halbe Dreiecksbreite zueinander versetzt angeordnet sind, schattet der Zeiger in jeder Position immer mindestens zwei benachbarte Lichtsensorelementen gleichzeitig ab, so dass jede analoge Zeigerstellung anhand des Grads der Abschattungen der betreffenden Lichtsensorelemente eindeutig identifiziert werden kann. Im Unterschied zu einer digitalen Kamera oder einem CCD-Sensor, kommt die erfindungsgemäße Ablesevorrichtung mit vergleichsweise wenigen Lichtsensorelemente aus, die wesentlich preiswerter sind und viel weniger Energie benötigen. Im Ergebnis erhält man eine preiswerte hochauflösende optische Ablesevorrichtung, die an beliebigen Zeigerinstrumenten angebracht und aufgrund ihrer geringen Energieaufnahme aus einer Batterie oder aus der Umwelt (Energy Harvesting) energieversorgt werden kann.
Die dreieckförmigen Lichtsensorelemente können auf unterschiedliche Weise kreis- oder kreisbogenförmig angeordnet werden, wobei jedes Lichtsensorelement mit den Schenkeln seines Dreieckgrundrisses an einem Schenkel oder der Basisseite eines benachbarten Lichtsensorelements anliegt.
Dabei können die Lichtsensorelemente jeweils in Form eines dreieckförmigen Lichtleiters aus transparentem Material mit relativ großem optischen Brechungsindex ausgebildet sein, der in den Dreiecksgrundriss einfallendes Licht auf einen Fotosensor, z. B. eine Fotodiode, leitet.
Zur tageszeitunabhängigen Ausleuchtung des Skalen- bzw. Ziffernblatts des Zeigerinstrumentes kann die Beleuchtungseinrichtung eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED enthalten, die entweder im sichtbaren oder nicht sichtbaren Spektrum (z. B. Infrarot) emittiert. Die Fotodioden der Lichtsensorelemente sind vorteilhaft passend zum Spektrum der Lichtquelle gewählt. Die Lichtquelle wird nur bei Bedarf kurzzeitig eingeschaltet, um eine Messung der Zeigerposition durchzuführen.
Bei den erwähnten Fotodioden und der LED handelt es sich um günstige Standardbauteile, so wie auch die die dreieckförmigen Lichtleiter sich als einfache Spritzgussteile aus transparentem Kunststoff herstellen lassen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert; im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Ablesevorrichtung an einem Zeigerinstrument,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der optischen Ablesevorrichtung,
3 ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungseinrichtung,
4 ein Ausführungsbeispiel eines Lichtsensorelements,
5 ein zweites Ausführungsbeispiel der optischen Ablesevorrichtung und
6 ein drittes Ausführungsbeispiel der optischen Ablesevorrichtung.

Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. Die Darstellungen sind rein schematisch und repräsentieren keine Größenverhältnisse.
1 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel einer optischen Ablesevorrichtung 1 in Form eines flachen Pick-up-Sensors, der auf der Sichtscheibe 2 eines Zeigerinstruments 3, hier eines Manometers, aufgeklebt ist. Die Ablesevorrichtung 1 kann auch anderweitig an dem Zeigerinstrument 3 angebracht, beispielsweise aufgeklemmt, werden. Bei dem Zeigerinstrument 3 handelt es sich um ein übliches Rundinstrument mit einem Zeiger 4, der sich um eine Achse 5 dreht und kontrastreich von dem Skalen- oder Ziffernblatt 6 des Zeigerinstruments 3 abhebt. Im gezeigten Beispiel ist das Skalen- oder Ziffernblatt 6 hell, insbesondere weiß, und der Zeiger dunkel, z. B. schwarz. Natürlich können auch umgekehrt der Zeiger 4 hell und das Skalenblatt 6 dunkel sein.
Die Ablesevorrichtung (Pick-up-Sensor) 1 ist derart angeordnet und ausgebildet, dass sie einerseits dem Zeiger 4 so gegenüberliegt, dass sie seinen Ausschlagbereich vollständig erfasst, und andererseits weiterhin eine Sicht auf die Skalenbeschriftung und, zumindest teilweise, den Zeiger 4 ermöglicht. Insbesondere kann die Ablesevorrichtung 1 in weiten Teilen transparent ausgebildet sein.
Wie 2 näher zeigt, weist die Ablesevorrichtung 1 eine Beleuchtungseinrichtung 7 zur Beleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts 6 sowie eine Mehrzahl von Lichtsensorelementen 8 auf, die in einem Kreis 9 um die Drehachse 5 des Zeigers 4 herum angeordnet sind. Die Beleuchtungseinrichtung 7 ist hier ringförmig und konzentrisch zu dem Kreis 9 mit den Lichtsensorelementen 8 ausgebildet. Das Skalen- oder Ziffernblatt 6 wird zumindest in dem dem Kreis 9 mit den Lichtsensorelementen 8 gegenüberliegenden Bereich von dem Licht der Beleuchtungseinrichtung 7 gleichmäßig ausgeleuchtet, wobei das von dem Skalen- oder Ziffernblatt 6 zurückreflektierte Licht von den Lichtsensorelementen 8 erfasst wird. An der Stelle, wo sich aktuell der Zeiger 4 befindet, werden die Lichtsensorelemente 8 abgeschattet und erhalten weniger Licht.
3 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus der Beleuchtungseinrichtung 7 mit einer Lichtquelle 10, beispielsweise eine Leuchtdiode, deren Licht 11 zentral in eine kreisrunde transparente Scheibe 12 eingeleitet wird. Der Außenrand der transparenten Scheibe 12 ist in Richtung auf das Skalen- oder Ziffernblatt 6 umgebogen, so dass das in der Scheibe 12 verteilte Licht 11 dort gleichmäßig auf das Skalen- bzw. Ziffernblatt 6 ausgekoppelt wird und dieses kreisringförmig beleuchtet. Anstelle oder zusätzlich zu der aktiven Lichtquelle 10 kann ein hier nicht gezeigtes passives Lichtsammelelement aus demselben transparenten Material wie die Scheibe 12 vorgesehen sein, das Umgebungslicht auffängt und in die Scheibe 12 einleitet.
Zurück zu 1 ist die Ablesevorrichtung (Pick-up-Sensor) 1 über eine Leitung 13 mit einer Auswerteeinrichtung 14 verbunden, die die Lichtquelle 10 mit elektrischem Strom versorgt und von den Lichtsensorelementen 8 erzeugte elektrische Signale auswertet, um die Stellung des Zeigers 4 zu ermitteln. Wie 1 zeigt, muss der Kreis 9 mit den Lichtsensorelementen 8 nicht notwendigerweise geschlossen sein, wenn der Ausschlagbereich des Zeigers 4 kleiner als 360°, hier z. B. 270° beträgt. Die Auswerteeinrichtung 14 kann beispielsweise einen Umgebungslichtsensor 15 aufweisen und dazu ausgebildet sein, die Lichtquelle 10 nur bei fehlendem oder unzureichenden Umgebungslicht einzuschalten. Die Auswerteeinrichtung 14 kann über eine Batterie oder Solarzelle für die Stromversorgung, einen Mikrocontroller zur Ermittlung der Zeigerstellung und eine Funkschnittstelle 16 wie z. B. Bluetooth zur Übertragung der ermittelten Zeigerstellung an eine übergeordnete Stelle verfügen.
Wie 2 zeigt, sind die Lichtsensorelemente 8 - bezogen auf die Ebene des Skalen- bzw. Ziffernblatts 6 - im Wesentlichen als gleichschenklige Dreiecke ausgebildet und dabei in Umfangsrichtung des Kreises 9 jeweils um eine halbe Dreiecksbreite zueinander versetzt und dabei abwechselnd um jeweils 180° verdreht angeordnet. Mit anderen Worten liegen die dreieckförmigen Lichtsensorelemente 8 jeweils mit ihren beiden Schenkeln an jeweils einem Schenkel der beiden rechts und links benachbarten dreieckförmigen Lichtsensorelemente 8 an. Dadurch wird erreicht, dass der Zeiger 4 immer mindestens zwei benachbarte Lichtsensorelementen 8 gleichzeitig abschattet, wobei durch die Auswerteeinrichtung 14 anhand der Differenz oder des Verhältnisses der Abschattungen der betreffenden Lichtsensorelemente 8 jede analoge Zeigerstellung eindeutig identifiziert werden kann. Liegt der Zeiger 4 genau der Dreiecksmitte eines Lichtsensorelements 8 gegenüber, so ist dessen Abschattung bezogen auf die Dreiecksfläche maximal, während die Abschattungen der beiden rechts und links benachbarten Lichtsensorelemente 8 jeweils minimal sind. Bewegt sich der Zeiger 4 beispielsweise nach rechts (im Uhrzeigersinn), so nimmt die (relative) Abschattung des zuvor noch maximal abgeschatteten Lichtsensorelements 8 ab, während die des zur rechten Seite benachbarten Lichtsensorelements 8 zunimmt.
Bei dem gezeigten Beispiel werden die Basisseiten der Dreiecke von Kreisbögen gebildet, so dass die Lichtsensorelemente 8 zusammen einen Kreisring (oder Kreisringbogen) bilden. Alternativ können die Basisseiten gerade sein, so dass die Lichtsensorelemente 8 zusammen einen Polygonring bilden.
4 zeigt ein Beispiel für eines der Lichtsensorelemente 8 in Draufsicht (a) entsprechend der Sicht senkrecht auf das Skalen- bzw. Ziffernblatt 6, mit Sicht auf die Breitseite des Dreiecks (b) sowie in Seitenansicht (c). Das Lichtsensorelement 8 besteht aus einem dreieckförmigen Lichtleiter 17 aus transparentem Kunststoff mit relativ großem optischen Brechungsindex, z. B. COC-Polymer (Cyclo-Olefin-Copolymer mit einem eingebetteten Fotosensor 18, z. B. einer Fotodiode. Der Lichtleiter 17 leitet das von dem Skalen- bzw. Ziffernblatt 6 reflektierte Licht 11 von seiner Unterseite zu der Fotodiode 18. Die dreieckförmigen Lichtleiter 17 können als einzelne Bauteile gefertigt werden, die anschließend zu dem Kreisring oder Polygonring zusammengefügt werden. Alternativ kann zunächst ein kreis- oder polygonringförmiger lichtleitender Körper einstückig aus dem transparenten Kunststoff gefertigt werden, in dem anschließend die einzelnen dreieckförmigen Lichtleiter 17 nachträglich durch Einbringen von Trennstrukturen (Rillen, Nuten etc.) ausgebildet werden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Ablesevorrichtung 1, das sich von dem nach 2 dadurch unterscheidet, dass die dreieckförmigen Lichtsensorelemente 8 jeweils mit einem Schenkel an der Basis eines benachbarten dreieckförmigen Lichtsensorelements 8 anliegen.
Die Beleuchtungseinrichtung 7 ist hier nicht als äußerer Beleuchtungsring sondern als zentrale Beleuchtungsquelle ausgebildet und angeordnet.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der optischen Ablesevorrichtung 1, bei dem jedes zweite dreieckförmige Lichtsensorelement 8 mit beiden Schenkel an den Basisseiten der beiden rechts und links benachbarten dreieckförmigen Lichtsensorelemente 8 anliegt.

Claims

Optische Ablesevorrichtung (1) für ein Zeigerinstrument (3) welches einen Zeiger (4) und ein Skalen- oder Ziffernblatt (6) mit jeweils unterschiedlichem Reflexionsvermögen aufweist, umfassend eine Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts (6) und eine Mehrzahl von Lichtsensorelementen (8), die in einem Kreisbogen (9) um die Drehachse (5) des Zeigers (4) herum zum Erfassen des von dem Skalen- oder Ziffernblatt (6) zurückreflektierten Lichts (11) der Beleuchtungseinrichtung (7) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (7) zur gleichmäßigen Ausleuchtung des Skalen- oder Ziffernblatts (6) zumindest in dem dem Kreisbogen (9) gegenüberliegenden Bereich ausgebildet ist und dass die Lichtsensorelemente (8) jeweils mit gleichschenkligem Dreiecksgrundriss ausgebildet und dabei in Umfangsrichtung des Kreisbogens (9) jeweils um eine halbe Basisbreite zueinander versetzt angeordnet sind.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dreieckförmigen Lichtsensorelemente (8) abwechselnd unterschiedliche Längen der Basisseite aufweisen und um jeweils 180° verdreht angeordnet sind.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensorelemente (8) jeweils mit einem Schenkel ihres Dreiecksgrundrisses an der Basis des Dreiecksgrundrisses eines benachbarten Lichtsensorelements (8) anliegen.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes zweite Lichtsensorelement (8) mit beiden Schenkel seines Dreiecksgrundrisses an den Basisseiten der beiderseits benachbarten dreieckförmigen Lichtsensorelemente (8) anliegt.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsensorelemente (8) jeweils ein dreieckförmigen Lichtleiter (17) aus transparentem Material und ein Fotosensor (18) umfassen.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (7) zur Aufnahme und Verteilung von Umgebungslicht auf den auszuleuchtenden Bereich ausgebildet ist.
Optische Ablesevorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (7) eine Lichtquelle (10) enthält.