DE19538163C1 - Vorrichtung zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung mittels magnetfeldabhängiger Widerstandselemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung gemäß des Oberbegriffes des An­ spruches 1 sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens.

Es sind Sensorsysteme zur Drehzahl-und Drehrichtungser­ kennung bekannt, bei welchen magnetoresistive, d. h. ma­ gnetfeldabhängige Sensoren Verwendung finden. Ein solcher Sensor weist wenigstens einen magnetfeldabhängigen Wider­ stand auf, dessen Impedanz sich in Abhängigkeit von der Stärke eines ihn umgebenden Magnetfeldes ändert. Zum Er­ zeugen eines Meßsignales können solche magnetfeldabhängi­ gen Widerstände in einer Vollbrücke zusammengeschaltet sein. Solche Vollbrückenschaltungen sind beispielsweise aus der DE 34 26 784 A1 oder der DE 36 05 178 A1 bekannt.

Zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung wird bei dieser Art Sensoren die Brückenspannung der Vollbrückenschaltung als Sensorsignal zur Auswertung herangezogen. Es sind da­ bei zur Drehrichtungserkennung zwei Sensorsignale notwen­ dig, welche von zwei Sensoren abnehmbar sind, die in ei­ nem rotierenden Magnetfeld in Umfangsrichtung hinterein­ ander angeordnet sind, wobei der Winkelversatz zwischen beiden Sensoren ungleich 180° sein muß. Eines der beiden Sensorsignale kann zur Drehzahlinformation herangezogen werden. Die Auswertung der beiden Sensorsignale erfolgt dabei mittels einer entsprechenden elektronischen Rechen­ einheit, welcher die Sensorsignale zugeführt werden. Um eine redundante Drehzahl- und Drehrichtungserkennung rea­ lisieren zu können, sind wenigstens drei dieser Sensoren notwendig, so daß bei Ausfall eines Sensors immer noch zwei Sensorsignale zur Drehzahl- und Drehrichtungserken­ nung vorliegen. Da diese Sensoren aus einer Vollbrücken­ schaltung gebildet sind, sind pro Sensor vier magnetfeld­ abhängige Widerstände zur Bildung eines solchen Sensors notwendig. Dies bedeutet wiederum, daß insgesamt zwölf magnetfeldabhängige Widerstände zum Einsatz kommen, so daß relativ hohe Herstellkosten für diese Sensoranordnung anfallen.

Um diese magnetoresistiven Sensoren für eine Umdrehungs- und Drehrichtungserkennung verwenden zu können, müssen diese, wie oben bereits erwähnt, in einem rotierenden Ma­ gnetfeld angeordnet werden. Das rotierende Magnetfeld kann dabei mittels eines stabförmigen Permanentmagneten erzeugt werden, welcher beispielsweise von einem Wasser­ zähler in Form eines Flügelrad-Durchflußmessers zum Mes­ sen einer Wasserdurchflußmenge rotierend angetrieben wird. Das Flügelrad dieses Flügelrad-Durchflußmessers ro­ tiert dabei um seine Drehachse, sobald der Wasserzähler von einem entsprechenden Wasservolumenstrom durchflossen wird. Zum Erzeugen des rotierenden Magnetfeldes ist das Meßorgan, in Form des Stabmagneten vorgesehen, welcher ebenfalls koaxial zum Flügelrad um dessen Drehachse ro­ tierend angetrieben ist. Der Antrieb dieses Stabmagneten kann dabei durch eine magnetische Kopplung oder auch durch eine mechanische Kopplung des Stabmagneten mit dem Flügelrad erfolgen. Zur redundanten Umdrehungs- und Dreh­ richtungserkennung werden die Sensoren im Wirkbereich des Magnetfeldes des Stabmagneten in Umfangsrichtung versetzt in etwa einer gemeinsamen Ebene angeordnet, so daß sie nacheinander der Wirkung der Pole des Magnetfeldes des rotierenden Stabmagneten ausgesetzt sind und somit deren magnetfeldabhängigen Widerstände ihre Impedanz nacheinan­ der ändern und deren von diesen Sensoren abnehmbaren Sen­ sorsignale eine zeitliche Folge aufweisen.

Zur Erfassung der Drehzahl ist dabei lediglich das Signal eines Sensors notwendig, welches in zeitlichen Abständen erfaßt wird, so daß aus diesen zeitlich hintereinander­ liegenden Impulsen bzw. den Schwankungen des Sensorsi­ gnals die Drehzahl des Flügelrades ermittelbar ist. Zur Drehrichtungserkennung ist demgegenüber ein zweiter Sen­ sor erforderlich, dessen Meßsignal zeitversetzt an die elektronische Recheneinheit abgegeben wird, so daß aus dem Zeitversatz des ersten Meßsignals und des zweiten Meßsignals bei bekanntem Winkelversatz in Umfangsrichtung die Drehrichtung des Stabmagneten und damit des Flügelra­ des stets ermittelbar ist. Um eine redundante Anordnung zu erreichen, d. h. eine Anordnung bei welcher sicherge­ stellt ist, daß sowohl die Umdrehungserkennung als auch die Drehrichtungserkennung auch bei Ausfall eines Sensors möglich ist, d. h. daß in diesem Falle immer noch zwei Si­ gnale vorhanden sind, ist es notwendig, den dritten Sen­ sor in entsprechender Winkelanordnung zu den beiden ande­ ren Sensoren anzuordnen. Fällt nun einer dieser Sensoren aus, so stehen aufgrund der Funktionsfähigkeit der beiden anderen Sensoren zur Umdrehungs- und Drehrichtungserken­ nung weiterhin zwei Signale zur Verfügung, mittels wel­ cher die geforderte Redundanz sichergestellt ist.

Für die oben beschriebenen Sensoren, welche aus zu einer Vollbrücke zusammengeschalteten magnetfeldabhängigen Wi­ derständen bestehen, sind auch Auswerteverfahren bekannt, bei welchen nicht die Vollbrückenspannung sondern zur Auswertung die Halbbrückenspannung der beiden Halbbrücken eines solchen Sensors zur Auswertung herangezogen werden. Diese Art der Meßwerterfassung ist beispielsweise aus der DE 43 00 028 A1 bekannt. Um eine solche Halbbrückenspannung messen zu können, ist es notwendig, eine entsprechende Referenzspannung zum Vergleich zu generieren (US 46 28 259), wobei aufgrund der geforderten Redundanz zwei sol­ cher Referenzspannungen generiert werden müssen. Zum Er­ reichen der geforderten Redundanz müssen diese Referenz­ spannungen äußerst präzise aufeinander abgestimmt sein und sollten auch idealerweise adaptiv sein. Somit ergibt sich bei einer Halbbrückenauswertung eine äußerst aufwen­ dige Auswerteschaltung bzw. sind dabei aufwendige Abstim­ mungen bezüglich der Referenzspannungen notwendig, so daß sowohl die Sensoranordnung als auch deren Auswerteverfah­ ren äußerst aufwendig und teuer sind.

Desweiteren sind auch induktive Umdrehungssensoren für Flügelrad-Durchflußmesser bekannt (EP 0 370 174 B1), bei welchen beispielsweise drei Meßspulen im Wirkbereich ei­ nes sich drehenden Magnetfeldes angeordnet sind, so daß auch hier durch die Anordnung dieser drei Meßspulen eine redundante Umdrehungs- und Drehrichtungserkennung reali­ sierbar ist. Die Problematik einer solchen Anordnung be­ steht darin, daß die Spulen äußerst teuer in ihrer Her­ stellung sind, da sie eine hohe Präzision zur genauen Um­ drehungs- und Drehrichtungserkennung aufweisen müssen.

Damit ergibt sich allerdings auch eine äußerst aufwendige Fertigungstechnik. Soll zur Energieeinsparung die Ener­ gieversorgung der Meßspulen auch noch getaktet erfolgen, so ist es erforderlich, die Impulsbreite genauestens auf die Charakteristika der Meßspulen abzustimmen, so daß auch ein erhöhter Aufwand zur Abstimmung einer mit drei Meßspulen bestückten Sensoranordnung erforderlich ist.

Desweiteren ist eine Vorrichtung zur Volumenerfassung von Wasserzählern bekannt (DE 94 16 497 U1), deren Sensoren aus Lichtschranken gebildet sind. Nachteilig bei diesen Systemen ist der hohe Stromverbrauch, welcher durch die Erzeugung des Lichtes erforderlich ist. Desweiteren ist eine solche Vorrichtung nur mit erhöhtem Fertigungsauf­ wand herzustellen, da das Flügelrad zwischen zwei mit Ab­ standshilfen verlöteten Platinen angeordnet werden muß, wodurch hohe Montagekosten entstehen. Auch ist eine sepa­ rate Fertigung der Elektronik und der Mechanik nicht durchführbar, so daß eine automatisierte Fertigung nur schwer möglich ist.

Auch bei weiteren bekannten Sensoren, welche zur Impuls­ erzeugung bzw. zur Signalerzeugung magnetische Energie in Form eines rotierenden Magnetfeldes erzeugen, wie z. B. die oben bereits angesprochenen induktiven Sensoren, aber auch Impulsdrähte und Reedkontakte haben den Nachteil, daß sie ein rückwirkendes Drehmoment aufweisen, welches auf den Stabmagneten wirkt, so daß das Flügelrad eines Wasserzählers ein erheblich verschlechtertes Anlaufver­ halten aufweist.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche die oben genann­ ten Nachteile vermeidet, wobei ein entsprechendes Auswer­ teverfahren vorgesehen sein soll, mittels welchem in ein­ facher Weise kostengünstig die von der Schaltungsanord­ nung abgegebenen Sensorsignale auswertbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren des kennzeichnenden Teiles zusammen mit den im Oberbegriff aufgeführten Merkmalen gelöst, wo­ bei zur Durchführung dieses Verfahrens eine entsprechende Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 4 vorgesehen ist.

Durch das erfindungsgemäße Auswerteverfahren ist eine Schaltungsanordnung mit einem einfachen Aufbau des ei­ gentlichen bzw. der eigentlichen Sensoren möglich. Durch den kreuzweisen bzw. wechselseitigen Vergleich der auf­ einanderfolgenden Sensorsignale kann auf die Generierung einer Referenzspannung bzw. eines Referenzsignales, wel­ ches aufgrund der geforderten Redundanz zweifach vor­ handen sein müßte, verzichtet werden, so daß sich der Schaltungsaufbau erheblich vereinfacht.

Desweiteren wird durch die Verwendung von vier Sensoren und damit durch den paarweisen Vergleich von vier Meßsi­ gnalen eine einfache redundante Auswertung der Sensorsi­ gnale ermöglicht, da insgesamt durch die vorhandenen elektronischen Vergleichsschaltungen, die beispielsweise, je nach Ausbildung der Sensoren, elektronische Komparato­ ren oder auch D-Flip-Flops sein können, vier weiterverar­ beitbare Meßsignale an die Recheneinheit übergebbar sind. Bei Ausfall eines Sensors, dessen Sensorsignal zu jeweils zwei der elektronischen Vergleichsschaltungen geleitet wird, erzeugen diese beiden Vergleichsschaltungen keine Meßsignale mehr, so daß diese zur Umdrehungs- bzw. Dreh­ richtungserkennung keine Meßsignale mehr an die Rechen­ einheit abgeben können. Es sind aber gleichwohl noch von den beiden weiteren Vergleichsschaltungen zwei aufeinan­ derfolgende Meßsignale vorhanden, welche der Rechenein­ heit übergebbar sind, so daß durch das Auswerteverfahren immer noch zwei Meßsignale zur Umdrehungszählung und auch zur Drehrichtungserkennung für die Auswertung in der Re­ cheneinheit zur Verfügung stehen.

Durch die Ausgestaltungen der Ansprüche 2 und 3, kann ein eventuell auftretendes Rauschen bzw. können eventuell auftretende Schwingungen unterdrückt werden, so daß durch die Vergleichsschaltungen ein eindeutiges Signal an die Recheneinheit abgebbar ist und somit eine sichere Auswer­ tung sichergestellt ist. Äußere Einflüsse durch das ange­ sprochene Rauschen oder auch durch die angesprochenen Schwingungen werden dabei sicher unterdrückt.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß An­ spruch 4 wird ein äußerst einfacher und kostengünstiger Schaltungsaufbau erreicht. Die Ausbildung der einzelnen Sensoren aus einem magnetfeldabhängigen elektrischen Wi­ derstand und einem zweiten elektrischen Widerstand, wel­ che jeweils zusammen einen Spannungsteiler bilden, dessen Mittenspannung als Sensorsignal abnehmbar ist, zeichnet sich durch eine rückwirkungsarme und äußerst stromsparen­ de Ausbildung aus. Auch ist ein derartiger erfindungsge­ mäßer Sensor äußerst unempfindlich gegenüber Unregelmä­ ßigkeiten der Rotation des rotierenden Magnetfeldes. Des­ weiteren sind derartige Sensoren abgleichsfrei, so daß für deren Einsatz keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden müssen, um deren Betriebssicherheit bzw. die Abga­ be von eindeutigen Signalen gewährleisten zu können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemä­ ßen Schaltungsanordnung sind den Ansprüchen 5 bis 8 ent­ nehmbar.

Von Sensoren, welche jeweils aus einem magnetfeld­ abhängigen Widerstand und einem beliebigen weiteren Wi­ derstand in Form eines Spannungsteilers ausgebildet sind, ist in einfacher Weise ein Sensorsignal generierbar, wo­ bei der Sensor selbst äußerst kostengünstig ist. Insbe­ sondere die Ausgestaltung des Anspruches 8 ermöglicht da­ bei einen äußerst geringen Energieverbrauch der Schal­ tungsanordnung, da die Sensoren und die Kompensatoren bzw. Vergleichsschaltungen nur über äußerst kurze Zeit­ räume getaktet mit Energie versorgt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit vier magnetfeldab­ hängigen Sensoren, von welchen jeweils zwei paarweise zu einer Vollbrücke verschaltet sind;

Fig. 2 die prinzipielle geometrische Schaltungsanord­ nung der Sensoren aus Fig. 1 mit der prinzipi­ ellen Darstellung der Auswerteelektronik;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung mit vier in jeweils einem Spannungsteiler angeordneten magnet­ feldabhängigen Widerständen und deren Auswerte­ elektronik;

Fig. 4 die geometrische Anordnung der Sensoren aus Fig. 3 mit Auswerteelektronik;

Fig. 5 den prinzipiellen Signalverlauf der Sensor­ signale der Sensoren aus den Fig. 1 und 3;

Fig. 6 den prinzipiellen Signalverlauf nach dem Ver­ gleich jeweils zweier Sensorsignale.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung 1 mit vier magnetfeldabhängigen Sensoren 2, 3, 4 und 5. Jeder der Sensoren 2, 3, 4, 5 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus jeweils zwei magnetfeldab­ hängigen Widerstandselementen 6 und 7, 8 und 9, 10 und 11 bzw. 12 und 13.

Die Widerstandselemente 6, 7 und 8, 9 sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, zu einer Vollbrücke 14 zusammen­ geschaltet und bilden jeweils einen Halbbrückenzweig 15, 16 dieser Vollbrücke 14. Die Vollbrücke 14 wird dabei über eine entsprechende Energiezuführleitung 17 von einer, in der Zeichnung nicht explizit dargestellten, Energieversorgungseinheit mit Energie versorgt. Die Ener­ gieversorgungseinheit kann dabei integraler Bestandteil einer elektronischen Recheneinheit 18 sein. Die beiden magnetfeldabhängigen Sensoren 4 und 5 sind in gleicher Weise in einer Vollbrücke 19 zusammengeschaltet wie die Sensoren 2 und 3, wobei die Sensoren 4 und 5 ebenfalls den jeweiligen Halbbrückenzweig 20 und 21 der Vollbrücke 19 bilden. Die Energieversorgung der Vollbrücke 19 erfolgt über eine Energiezuführleitung 22, welche zur gemeinsamen Energieversorgung der Vollbrücke 19 und auch der Vollbrücke 14 dient.

Von den beiden Vollbrücken 14 und 19 werden jeweils die beiden Halbbrückenspannungen als Sensorsignale vier elek­ tronischen Komparatoren 23, 24, 25 und 26 zugeführt.

Das Sensorsignal S1, welches zwischen dem Widerstandsele­ ment 6 und dem Widerstandselement 7 des Sensors 2 abnehm­ bar ist, wird dem positiven Eingang des Komparators 23 und dem positiven Eingang des Komparators 24 zugeführt. Das Sensorsignal S2, welches zwischen den Widerstandsele­ menten 8 und 9 des Sensors 3 abnehmbar ist, wird jeweils dem positiven Eingang des Komparators 25 und des Kompara­ tors 26 zugeführt. Die Sensorsignale S3 und S4 der Voll­ brücke 19 bzw. der Sensoren 4, 5 werden den Komparatoren 23, 24, 25 und 26 derart zugeführt, daß ein kreuzweiser Vergleich mit den Sensorsignalen S1 und S2 der Sensoren 2 und 3 erfolgen kann. Dazu wird das Sensorsignal S3 einer­ seits dem negativen Eingang des Komparators 23 zugeführt, so daß der Komparator 23 einen Vergleich des Sensorsigna­ les S1 mit dem Sensorsignal S3 durchführt und aus diesen unterschiedlichen Sensorsignalen S1 und S3 ein Meßsignal M1 erzeugt, welches der elektronischen Recheneinheit 18 zugeführt wird.

Desweiteren wird das Sensorsignal S3 dem Komparator 25 an dessen negativen Eingang zugeführt, so daß der Komparator 25 das Sensorsignal S3 des Sensors 4 mit dem Sensorsignal S2 des Sensors 3 vergleichen kann und aus den beiden Sen­ sorsignalen S2 und S3 ein Meßsignal M3 generiert, welches ebenfalls der Recheneinheit 18 zugeführt wird.

Das Sensorsignal S4 des Sensors 5, welches zwischen den Widerstandselementen 12 und 13 abnehmbar ist, wird einer­ seits dem negativen Eingang des Komparators 24 zugeführt und andererseits dem negativen Eingang des Komparators 26. Somit bildet der Komparator 24 durch Vergleich des Sensorsignals S4 und des Sensorsignals S1 ein drittes Meßsignal M2, welches ebenfalls der Recheneinheit 18 hin­ zugeführt wird. Desweiteren wird das Sensorsignal S4 durch den Komparator 26 mit dem Sensorsignal S2 vergli­ chen und daraus ein Meßsignal M4 generiert, welches eben­ falls der Recheneinheit 18 übergeben wird.

Die Sensoren 2, 3, 4 und 5 sind dabei, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, beispielsweise auf einem Sensorträger 27 angeordnet. Mittels eines rotierend angetriebenen Perma­ nentmagneten 28 wird ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Der Permanentmagnet 28 dreht sich dabei um eine Drehachse 29, welche zentral mittig bezüglich des Sensorträgers 27 angeordnet ist. Die Sensoren 2, 3 und 4, 5 sind auf einer gemeinsamen Kreisbahn in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse 29 des Permanentmagneten 28 um 90° versetzt angeordnet, so daß sie nacheinander von dem durch den rotierenden Permanentmagneten 28 erzeugten, rotierenden Magnetfeld nacheinander beaufschlagt werden. Damit unter­ liegen die Sensoren 2, 3 und 4, 5 jeweils hintereinander einem sich ständig ändernden Magnetfeld. Die Anordnung der Sensoren 2, 3 mit ihren Widerstandselementen 6, 7 und 8, 9 ist bezüglich ihrer geometrischen Orientierung bezüglich des vom Permanentmagneten 28 erzeugten Wechsel­ magnetfeldes derart gewählt, daß bei sich änderndem Magnetfeld die Sensorsignale S1 und S2 sich gegensinnig ändern. Desgleichen gilt für die Sensoren 4, 5, deren Widerstandselemente 10, 11 und 12, 13 ebenfalls in ihrer räumlichen Orientierung derart angeordnet sind, daß sich deren Sensorsignale S3 und S4 bei sich änderndem Magnet­ feld ebenfalls gegensinnig ändern. Die entsprechenden Sensorsignale S1, S2, S3 und S4 werden dann, in der wie oben zu Fig. 1 beschrieben Art und Weise, den entspre­ chenden Komparatoren 23, 24, 25 und 26 zum Vergleich zugeführt, wobei die Komparatoren 23, 24, 25 und 26 die entsprechenden Meßsignale M1, M2, M3 und M4 entsprechend der elektronischen Recheneinheit 18 zuführen, welche die ihm zugeführten Meßsignale M1 bis M4 zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung entsprechend auswertet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung 30, welche aus vier Sensoren 31, 32, 33 und 34, vier D-Flip-Flops 35, 36, 37 und 38 als elektronische Vergleichsschaltung und einer elektronischen Recheneinheit 51 besteht. Die Sensoren 31 bis 34 sind bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils aus einem magnetfeldabhängigen Widerstandselement 39, 40, 41 bzw. 42 gebildet, welche jeweils mit einem Kondensator 43, 44, 45 bzw. 46 zu einem RC-Glied zusam­ mengeschaltet sind. Über eine gemeinsame Energieversor­ gungsleitung 47 werden die Sensoren 31 bis 34 mit Energie versorgt. Den Sensoren 31 bis 34 ist jeweils ein Sensor­ signal S1, S2, S3 und S4 abnehmbar, wobei die Signalab­ nahme jeweils zwischen den Widerstandselementen 39 bis 42 und dem jeweils zugehörigen Kondensator 43 bis 46 er­ folgt.

Die Sensorsignale S1 bis S4 werden wie beim Ausführungs­ beispiel gemäß Fig. 1 den D-Flip-Flops 35 bis 38 zuge­ führt und kreuzweise miteinander verglichen, wodurch ent­ sprechende Meßsignale M1, M2, M3 und M4 generiert werden und der elektronischen Recheneinheit 39 zur Drehrich­ tungs- und Drehzahlermittlung zugeführt werden.

Dabei wird das Sensorsignal S1 des Sensors 31 dem positi­ ven Eingang des D-Flip-Flops 35 und dem positiven Eingang des D-Flip-Flops 36 zugeführt, während das Sensorsignal S2 des Sensors 32 dem positiven Eingang des D-Flip-Flops 37 und dem positiven Eingang des D-Flip-Flops 38 zugeführt wird. Als Vergleichsspannung bzw. als Vergleichssignal zum Sensorsignal S1 wird dem negativen Eingang des D-Flip-Flops 35 das Sensorsignal S3 des Sensors 33 und dem negativen Eingang des D-Flip-Flop 36 das Sensorsignal S4 des Sensors 34 zugeführt.

Das Sensorsignal S2 des Sensors 32 wird somit mit den Sensorsignalen S3 und S4 verglichen, welche dem jeweili­ gen negativen Eingang des D-Flip-Flops 37 bzw. des D- Flip-Flops 38 zugeführt werden. Aus dem Vergleich der Sensorsignale S1 bis S4 werden, wie bereits oben gesagt, die Meßsignale M1 bis M4 generiert.

Durch diesen kreuzweisen Vergleich der Sensorsignale S1 bis S4 ist es nicht notwendig, ein Referenzsignal zu generieren, mit welchem die entsprechenden Sensorsignale S1 bis S4 zu vergleichen wären, um entsprechende Meßsi­ gnale M1 bis M4 durch die D-Flip-Flops 35 bis 38 erzeugen zu können.

Fig. 4 zeigt die geometrische Anordnung der Sensoren 31, 32, 33 und 34, welche auf einem Sensorträger 48 angeord­ net sind. Zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfeldes ist auch in diesem Falle ein stabförmiger Permanentmagnet 49 vorgesehen, welcher um eine Drehachse 50 rotierend antreibbar ist. Die Sensoren 31 bis 34 sind auf einer konzentrisch zur Drehachse 50 des Permanentmagneten 49 verlaufenden Kreisbahn gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet. Um miteinander vergleichbare Sensorsignale S1 bis S4 erzeugen zu können, sind die Sensoren 31 und 32 sich diametral gegenüberliegend angeordnet, während die Sensoren 33 und 34 zu den Sensoren 31 und 32 jeweils um 90° versetzt sich ebenfalls diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Durch den Winkelversatz zwischen den jeweils benachbarten Sensoren 31, 33 bzw. 33, 32 bzw. 32, 34 bzw. 34, 31 von 90° weisen die von den Sensoren 31 bis 34 abgegebenen Sensorsignale S1 bis S4 entsprechend der Drehung des Permanentmagneten 45 eine Phasenverschiebung von 90° zueinander auf.

Die Orientierungen der magnetfeldabhängigen Widerstands­ elemente 39 und 40 bzw. 41 und 42 sind dabei so gewählt, daß die Sensoren 31 und 32 bzw. 33 und 34 jeweils um 180° phasenverschobene invertierte Sensorsignale S1 und S2 bzw. S3 und S4 abgeben. Diese Sensorsignale S1 bis S4 werden den Komparatoren 35 bis 38 zum kreuzweisen Ver­ gleich, wie bereits zu Fig. 3 beschrieben, zugeführt. Die entsprechenden Meßsignale M1 bis M4, welche aus dem Ver­ gleich der entsprechenden Sensorsignale S1 bis S4 von den Komparatoren 35 bis 38 erzeugt werden, weisen ebenfalls eine Phasenverschiebung von 90° zueinander auf und werden in entsprechender Weise der elektronischen Recheneinheit 51 zugeleitet. Die Recheneinheit 51 bestimmt bzw. errech­ net aus den Meßsignalen M1 bis M4 die Drehzahl des Perma­ nentmagneten 49 und dessen Drehrichtung. Von der elektro­ nischen Recheneinheit 51 werden entsprechend der Fig. 4 bzw. der Fig. 3 die Sensoren 31 bis 34 mit der entspre­ chend notwendigen Energie versorgt.

Zur Energieeinsparung, d. h. um einen möglichst niedrigen Stromverbrauch zu realisieren, werden die Sensoren 2 bis 5 aus Fig. 1 bzw. Fig. 2 sowie die Sensoren 31 bis 34 aus den Fig. 3 und 4 nur für kurze Zeit mit Strom bzw. Ener­ gie versorgt, d. h. daß eine getaktete Energie- bzw. Stromversorgung vorgesehen ist. Desgleichen gilt für die Komparatoren 23 bis 26 aus den Fig. 1 und 2, welche ebenfalls im gleichen Takt mit Energie versorgt werden, so daß auch hierdurch ein möglichst niedriger Energieverbrauch beim Betrieb der Schaltungsanordnungen 1 bzw. 30 sichergestellt ist.

Wie aus dem Vergleich der Darstellungen aus der Fig. 2 bzw. der Fig. 4 hervorgeht, können auch die Sensoren 31, 32, 33, 34 der Fig. 4 in gleicher Weise angeordnet sein wie die Sensoren 2, 3, 4, 5 der Fig. 2 und auch umge­ kehrt. Es handelt sich in jedem Fall bei jedem Sensor 2, 3, 4, 5 bzw. 31, 32, 33, 34 um einen Sensor, welcher mit wenigstens einem magnetfeldabhängigen Widerstandselement 6, 9, 10, 13 bzw. 39, 40, 41, 42 und einem weiteren Widerstand 7, 8, 11, 12 bzw. 43, 44, 45, 46, sei es ein ohmscher Widerstand, ein kapazitiver Widerstand oder auch ein induktiver oder auch ein magnetfeldabhängiger Wider­ stand 7, 8 bzw. 11, 12 in Form eines Spannungsteilers zusammengeschaltet ist, dessen jeweilige Mittenspannung jeweils das Sensorsignal 31, 32, 33, 34 ergibt.

Es ist lediglich wichtig, die magnetfeldabhängigen Wider­ standselemente, welche zur eigentlichen Messung benötigt werden, so zu orientieren, daß sie in einem wechselnden Magnetfeld entsprechend miteinander kreuzweise vergleich­ bare Sensorsignale S1 bis S4 abgeben können. Dies bedeu­ tet aber auch, daß die Sensoren 2, 3, 4, 5 bzw. 31, 32, 33, 34 nicht zwingend unter einem Winkelversatz von 90° zueinander anzuordnen sind. Der Winkelversatz kann belie­ big sein, solange die Bedingung erfüllt ist, daß von den Sensoren 2, 3, 4, 5 bzw. 31, 32, 33 ,34 zueinander pha­ senverschobene Signale S1 bis S4 abnehmbar sind.

Solche Sensorsignale S1 bis S4 sind beispielhaft in Fig. 5 dargestellt. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, verläuft das Sensorsignal S2 um 180° phasenversetzt invertiert zum Sensorsignal S1, wobei beide Sensorsignale S1 und S2 einen etwa sinusförmigen Verlauf aufweisen. Die beiden Sensorsignale S3 und S4 verlaufen etwa kosinusförmig und sind ebenfalls gegeneinander um 180° phasenverschoben, so daß das Sensorsignal S4 den invertierten Verlauf zum Sen­ sorsignal S3 darstellt. Mathematisch ist der Verlauf der Sensorsignale S1 bis S4 wie folgt darzustellen, sofern man von den Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 2 und Fig. 4 ausgeht, wobei die oben erwähnten Orientierungen der magnetfeldabhängigen Widerstände 6, 9, 10, 13 und 31 bis 34 in der oben beschriebenen Art erfolgt. Dabei sind die Sensorsignale S1 bis S4 durch die nachfolgenden mathema­ tischen Beziehungen bestimmt:

S1 = sin x
S2 = sin (-x)
S3 = cos x
S4 = cos (-x)

Fig. 6 zeigt die 4 Meßsignale M1 bis M4, wie sie durch den Vergleich durch die Komparatoren 23 bis 26 bzw. die D-Flip-Flops 35 bis 38 erzeugt werden. Mathematisch ausformuliert folgen diese Meßsignale M1 bis M4 den nachfolgenden mathematischen Beziehungen:

M1 = sin x - cos x
M2 = sin x - cos (-x)
M3 = sin (-x) - cos x
M4 = sin (-x) - cos (-x)

Um Einflüsse durch Rauschen oder eventuell auftretende Schwingungen während der Meßphase in Abhängigkeit des zuletzt gemessenen Ergebnisses zu unterdrücken, wird über die Widerstände R1, R2, R3 und R4 an den jeweils positi­ ven Eingängen der jeweils zugeordneten Komparatoren 23, 24, 25 und 2 (Fig. 1) bzw. D-Flip-Flops 35, 36, 37 und 38 (Fig. 3) ein Spannungsoffset generiert. Die Polarität dieses Spannungsoffsets ist dabei so gewählt, daß zur Änderung des zuletzt gemessenen Ergebnisses die Sensorspannung bzw. das Sensorsignal S1, S2 der jeweils zugehörigen Sensoren 2, 3 bzw. 31, 32 den Spannungsoffset überwinden muß.

Desweiteren wird am positiven Eingang der Komparatoren 23, 24, 25, 26 (Fig. 1) auch eine analoge Hysterese über die diesen Komparatoren 23, 24, 25, 26 jeweils zugeordneten Widerstände R5, R6, R7 und R8 generiert, so daß ein sicherer Vergleich der Sensorspannungen bzw. Sensorsignale S1, S2, S3 und S4 sichergestellt ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Auswertung der Sensorsignale S1 bis S4 mittels der entsprechenden Kompa­ ratoren 35 bis 38 bzw. 23 bis 26 und durch die oben beschrie­ benen Schaltungsanordnungen 30 bzw. 1 wird ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellt, mit welcher die Umdrehungszahl eines Permanentmagneten, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, sowie eine Drehrichtungserkennung der Drehrichtung diesem Permanentmagneten 28 bzw. 49 in einfacher Weise durchführbar ist. Die Schaltungsanordnungen 1 und 30 sind dabei so ausgebildet, daß redundante Sensorsignale S1 bis S4 erzeugt werden, d. h. daß bei Ausfall eines Sensors 2, 3, 4, 5 bzw. 31 bis 34 von den Komparatoren 23 bis 26 bzw. 35 bis 38 stets wenigstens zwei Meßsignale M1 bis M4 der elektronischen Recheneinheit 18 bzw. 51 zur Drehrichtungs- bzw. Drehzahlerkennung zuführbar sind.

Desweiteren wird durch die getaktete Energieversorgung, deren Taktfrequenz zumindest doppelt ,so groß wie die maximale Drehzahl des Permanentmagneten 28 bzw. 49 sein soll, ein äußerst geringer Energiebedarf der Schaltungsanordnungen 1 bzw. 30 erreicht. Auch ist die gewählte Schaltungsanordnung 1 bzw. 30 rückwirkungsarm, äußerst preiswert in ihrer Herstellung und unempfindlich gegenüber Unregelmäßigkeiten der Rotation des Permanentmagneten 28 bzw. 49. Die Schaltungsanordnung 1 bzw. 30 muß auch nicht abgeglichen werden, so daß sie in einfacher Weise z. B. für die Verwendung eines Wasser­ durchflußmessers installierbar ist. Auch muß bei der Schaltungsanordnung 1 bzw. 30 kein Referenzsignal gene­ riert werden, welches für eine redundante Anordnung eben­ falls doppelt vorhanden sein müßte, so daß sich auch dadurch ein erheblich einfacher Aufbau der Schaltungsan­ ordnungen 1 bzw. 30 ergibt und somit eine kostengünstige Herstellung der Schaltungsanordnungen sichergestellt ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung mittels magnetfeldabhängiger Sensoren, welche jeweils wenigstens einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand aufweisen und die in einem sich drehenden Magnetfeld, das mittels eines von einem Meßorgan eines Meßwertgebers, insbesondere eines Wasser­ zählers, rotierend angetriebenen Stabmagneten erzeugt wird, in dessen magnetischem Wirkungsbereich in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei von den Sensoren Sensorsignale abgenommen werden, welche einer elektronischen Recheneinheit zugeführt und von dieser zur Drehrichtungs- und Drehzahlerkennung ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet,
daß das Sensorsignal (S1) eines ersten Sensors (2, 31) mit dem Sensorsignal (S3) eines zweiten Sensors (4, 33) durch eine erste elektronische Vergleichsschaltung (23, 35) verglichen wird und die erste Vergleichsschaltung (23, 35) aus diesen Sensorsignalen (S1, S3) ein erstes Meßsignal (M1) erzeugt, und
daß das Sensorsignal (S1) des ersten Sensors (2, 31) mit dem Sensorsignal (S4) eines dritten Sensors (5, 34) durch eine zweite elektronische Vergleichsschaltung (24, 36) verglichen wird und die zweite Vergleichsschaltung (24, 36) aus diesen Sensorsignalen (S1, S4) ein zweites Meßsignal (M2) erzeugt, und
daß das Sensorsignal (S2) eines vierten Sensors (3, 32) mit dem Sensorsignal (S3) des zweiten Sensors (4, 33) durch eine dritte elektronische Vergleichsschaltung (25, 37) verglichen wird und die dritte Vergleichsschaltung (25, 37) aus diesen Sensorsignalen (S2, S3) ein drittes Meßsignal (M3) erzeugt, und
daß das Sensorsignal (S2) des vierten Sensors (3, 32) mit dem Sensorsignal (S4) des dritten Sensors (5, 34) durch eine vierte elektronische Vergleichsschaltung (26, 38) verglichen wird und die vierte Vergleichsschaltung (26, 38) aus diesen Sensorsignalen (S2, S4) ein viertes Meßsignal (M4) erzeugt, und
daß die vier Meßsignale (M1, M2, M3, M4) aus den vier Vergleichsschaltungen (23, 24, 25, 26, bzw. 35, 36, 37, 38) zur Drehrichtungs- und Drehzahlerkennung der Recheneinheit (18, 51) zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rauschunterdrückung und zur Unterdrückung von eventuell auftretenden Schwingungseinflüssen während der Meßphase in Abhängigkeit des zuletzt gemessenen Sensorsignals (S1, S2, S3, S4) an der jeweiligen Vergleichsschaltung (23, 24, 25, 26 bzw. 35, 36, 37, 38) ein Spannungsoffset generiert wird, wobei die Polarität des Spannungsoffsets so gewählt ist, daß zur Änderung des zuletzt gemessenen Sensorsignals (S1, S2, S3, S4) das zu messende Sensorsignal (S1, S2, S3, S4) den Spannungsoffset überwinden muß.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum sicheren Vergleichen der Sensorsignale (S1, S2, S3, S4) an den jeweiligen als Komparatoren ausgebildeten Vergleichsschaltungen (23, 24, 25, 26) eine analoge Hysterese generiert wird.

4. Schaltungsanordnung zur Drehzahl- und Drehrichtungserkennung mit magnetfeldabhängigen Sensoren, welche jeweils wenigstens einen magnetfeldabhängigen elektrischen Widerstand aufweisen und die in einem sich drehenden Magnetfeld, das mittels eines von einem Meßorgan eines Meßwertgebers, insbesondere eines Wasserzählers, rotierend angetriebenen Stabmagneten erzeugt wird, in dessen magnetischem Wirkungsbereich in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei von den Sensoren Sensorsignale abnehmbar sind, welche einer elektronischen Recheneinheit zugeführt und von dieser zur Drehrichtungs- und Drehzahlerkennung auswertbar sind, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier auf einer gemeinsamen Kreisbahn im Magnetfeld versetzt angeordnete Sensoren (2, 3, 4, 5 bzw. 31, 32, 33, 34) vorgesehen sind, welche aus magnetfeldabhängigen elektrischen Widerständen (6, 9, 10, 13 bzw. 39, 40, 41, 42) gebildet sind, die jeweils mit einem zweiten elektrischen Widerstand (7, 8, 11, 12 bzw. 43, 44, 45, 46) zu einem Spannungsteiler zusammengeschaltet sind, von welchem jeweils ein Sensorsignal (S1, S2, S3, S4) abnehmbar ist und daß vier elektronische Vergleichsschaltungen (23, 24, 25, 26 bzw. 35, 36, 37, 38) vorgesehen sind, welche aus jeweils zwei unterschiedlichen Sensorsignalen (S1, S3; S1, S4; S2, S3; S2, S4) vier phasenverschobene Meßsignale (M1, M2, M3, M4) erzeugen, welche an die Recheneinheit (18, 51) zur Drehrichtungs- und Drehzahlerkennung übergeben werden.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite elektrische Widerstand (7, 8, 11, 12 bzw. 43, 44, 45, 46) des Spannungsteilers eines Sensors ein ohmscher, kapazitiver (43, 44, 45, 46), induktiver oder magnetfeldabhängiger (7, 8, 11, 12) Widerstand ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei als Spannungsteiler ausgebildete Sensoren (2, 3 bzw. 4, 5) jeweils eine Halbbrücke (15, 16, 20, 21) einer Vollbrücke (14, 19) bilden, wobei deren magnetfeldabhängige elektrische Widerstände (6, 7, 8, 9 bzw. 10, 11, 12, 13) derart angeordnet sind, daß sie in einem gegebenen Magnetfeld sich entgegengesetzte Sensorsignale (S1, S2, S3, S4) abgeben.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldabhängigen Widerstände (6, 9 bzw. 10, 13) eines Spannungsteilers jeweils mit einem zweiten magnetfeldabhängigen Widerstand (7, 8 bzw. 11, 12) als zweitem elektrischen Widerstand zusammengeschaltet sind, und daß die magnetfeldabhängigen Widerstände (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) so gewählt sind, daß die beiden von den Spannungsteilern gebildeten Halbbrücken (15, 16, 20, 24) gleich sind.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (2, 3, 4, 5 bzw. 31, 32, 33, 34) und die Vergleichsschaltungen (23, 24, 25, 26 bzw. 35, 36, 37, 38) nur für einen kurzen Meßzeitraum mit Energie versorgt werden, wobei die Taktfrequenz dieser Energieversorgung mindestens der doppelten Drehzahl des rotierenden Magnetfeldes entspricht.