DE2942421C2

DE2942421C2 -

Info

Publication number: DE2942421C2
Application number: DE2942421A
Authority: DE
Inventors: Robert J. Plano Tex. Us Hoss
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1978-10-23
Filing date: 1979-10-19
Publication date: 1991-03-21
Also published as: SE442786B; IL58166A; AT386900B; FR2440036B1; NZ191412A; DK391179A; ATA688579A; CH654684A5; GB2034882B; CA1139395A; AU525809B2; US4327362A; IL58166A0; DE2942421A1; AU5039479A; GB2034882A; SE7908724L; FR2440036A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotationsfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Steigende Energiekosten, insbesondere Stromkosten, haben die Versorgungsunternehmen bewogen, nach Mitteln zu suchen, die es gestatten, die aufzuwendenden Kosten niedrig zu halten, und mit denen überdies auch die Energieeinsparung gefördert werden kann. Als ein solches Mittel wird auch ein Übertragungssystem zwischen den Verbrauchsmeßgeräten und dem Energielieferanten angesehen, mit dessen Hilfe die Verbraucher zu Tarifzwecken überwacht werden können und das auch eine Fernsteuerung der Verbraucher gestattet, damit auf diese im Falle eines Notzustandes, beispielsweise zur Beeinflussung der Spitzenlast, eingewirkt werden kann. Zur Fernüberwachung des Stromverbrauchs durch einen Verbraucher muß der vom Meßgerät erfaßte Verbrauchswert in einen entsprechenden elektrischen Signalwert für die Rückübertragung zu einer Überwachungszentrale auf Seiten des Stromlieferanten umgesetzt werden.

In der US-PS 39 43 498 ist ein Meßgerät mit einem Rotationsfühler der eingangs angegebenen Art beschrieben, mit dessen Hilfe eine direkte Umsetzung der Rotation des Meßgeräterotors in ein elektrisches Signal erfolgen kann. Dabei wird ein Lichtreflexionsverfahren angewendet, bei dem Lichtreflexionen vom Meßgeräterotor dazu verwendet werden, die Rotordrehungen und folglich den elektrischen Verbrauch anhand eines entsprechenden elektrischen Signals zu überwachen. Die dabei angewendeten Maßnahmen eignen sich zwar für neu konstruierte Meßgeräte, die zur Aufnahme der photoelektrischen Detektorschaltung als Meßgeräteteil ausgelegt werden können, doch ist es nicht möglich, die in der genannten US-Patentschrift angegebenen Maßnahmen dazu zu verwenden, die in sehr großer Anzahl bereits bei den Verbrauchern vorhandenen Meßgeräte so nachzurüsten, daß sie sich für die Einbeziehung in ein Überwachungs- und Steuerzwecken dienendes Übertragungssystem eignen.

Aus der US-PS 38 06 875 ist ein Meßgerät bekannt, bei dem eine Lichtübertragung zwischen einer entfernt angeordneten Lichtquelle und der Meßwertanzeige sowie zwischen dieser und der Detektorvorrichtung vorhanden ist. Die Übertragung des Lichts erfolgt dabei über Lichtleitfasern. Ferner ist es aus der DE-OS 27 03 225 bekannt, Lichtsignale zu modulieren und empfangene Lichtsignale aufgrund von Kohärenz auszuwerten. Bei diesen bekannten Lichtübertragungssystemen bestehen Probleme bei der Auswertung, da das Licht mit relativ niedriger Leistung erzeugt wird, so daß Rauschsignale zu relativ großen Störungen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationsfühler der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, daß er sich für die Umrüstung bereits im Einsatz befindlicher Meßgeräte eignet und dabei gleichzeitig gut auswertbare Signale in einem der Fernablesung dienenden Übertragungssystem liefert.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält der eingangs geschilderte Rotationsfühler die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird ein zu übertragendes Signal erzeugt, das ein hohes Signal/ Rausch-Verhältnis hat, so daß sich eine zuverlässige Fernablesung der mit einem erfindungsgemäßen Rotationsfühler ausgestatteten Meßgeräte erreichen läßt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die verschiedenen Baueinheiten des erfindungsgemäßen Rotationsfühlers einschließlich der elektrischen Schaltung zur Erzeugung und zur Übertragung des Lichts sowie zum Empfangen des reflektierten Lichts und zu dessen Umwandlung in ein elektrisches Signal,

Fig. 2 ein Schaltbild der Lichtgenerator- und Lichtsenderanordnung,

Fig. 3 ein Schaltbild des Empfängerabschnitts der elektrischen Schaltung,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der in der erfindungsgemäßen Anordnung zur Vermeidung von Zweideutigkeiten an den Grenzen des geschwärzten Bereichs des Meßgeräterotors angewendeten Hystereseschleife und

Fig. 5 die räumliche Ausgestaltung eines typischen Wattstundenzählers mit der Abänderung für den Einbau der erfindungsgemäßen Anordnung.

Nach Fig. 1 weist ein um eine Mittelachse 12 rotierender Rotor 10 eines Wattstundenzählers eine glänzende Fläche auf, die Licht reflektiert, wovon jedoch ein geschwärzter Abschnitt 14 ausgenommen ist, der Licht absorbiert und nicht reflektiert. Die übliche metallische Fläche des Rotors 10 glänzt normalerweise genügend, um Licht ohne Änderung zu reflektieren, während der geschwärzte Abschnitt 14 durch eine schwarze Auflage auf dem Rotor 10 vorgesehen werden kann. Gegen die Rotorfläche wird ein Lichtstrahl 16 so gelenkt, daß er innerhalb des umschriebenen geschwärzten Abschnitts 14, der durch den schraffierten Bogenabschnitt auf dem Rotor 10 angegeben ist, auf die Rotorfläche auftrifft, so daß während jeder Umdrehung des Rotors 10 ein Lichtstrahl 18 von ihm reflektiert wird, außer wenn der geschwärzte Abschnitt 14 den Lichtstrahl 16 durchläuft.

Das der Fläche des Meßgeräterotors 10 zugeführte und von dieser Fläche abgeleitete Licht, das vorzugsweise Infrarotlicht im Wellenlängenbereich von 800 bis 950 nm zur Reduzierung von Störungen durch die Umgebungsstrahlung im sichtbaren Bereich sein sollte, wird mit Hilfe von Lichtleitfaserbündeln 20 bzw. 22 zu einem entfernten Ort geleitet, an dem sich die elektrische Schaltung für die Erzeugung und die Aussendung des Lichts und für den Empfang und die Feststellung der Lichtreflexion befindet. Die Lichtleitfaserbündel 20 und 22 können zwar aus Glasfasern oder aus Kunststoffasern bestehen, doch werden vorzugsweise Fasern aus Glaszusammensetzungen verwendet, da sie Lichtdämpfungswerte ermöglichen, die im bevorzugten Wellenlängenbereich des Infrarotlichts von 800 bis 950 nm typischerweise niedriger liegen.

Die Verwendung der Lichtfaserbündel 20 und 22 ermöglicht es, die zur Erzeugung des Lichts und zur Feststellung der Lichtreflexionen verwendete elektrische Schaltung an einem vom Meßgerätegehäuse entfernten Ort unterzubringen, so daß vorhandene Meßgeräte mit nur geringen Abänderungen weiterhin verwendet werden können, die darin bestehen, eine schwarze Abdeckung oder etwas Entsprechendes am Rotor anzubringen, damit der geschwärzte Bereich 14 entsteht, und die Lichtleitfaserbündel 20 und 22 in Gehäuse unterzubringen, wie noch erläutert wird.

Das Licht wird mit Hilfe einer Leuchtdiode 24 erzeugt, die aus einer Wechselstromsignalquelle 26 mit einem uncodierten, sinusförmigen Signal oder einem uncodierten Rechtecksignal mit dem Tastverhältnis 50% angesteuert wird, wobei dieses Signal auf Grund der Hüllkurve (Amplitude) oder auf Grund der Kohärenz (Phase) festgestellt werden kann; die Leuchtdiode kann aber auch mit einem codierten Signal angesteuert werden, das aus einer Folge von Impulsen mit sich änderndem Tastverhältnis besteht, das auf Grund der Kohärenz festgestellt werden kann. Das Wechselstromsignal wird der Leuchtdiode 24 über eine Pufferstufe 28 und eine Treiberstufe 30 zugeführt. Die Treiberstufe 30 gewährleistet einen ausreichenden Strom für die Erregung der Leuchtdiode 24, während der Puffer 28 dazu dient, die Treiberstufe 30 mit der Wechselstromsignalquelle 26 richtig zu koppeln. Als geeignete Frequenz für die Wechselstromsignalquelle 26 hat sich 3 kHz erwiesen.

Der Empfänger zur Feststellung von Lichtreflexionen enthält einen Photodetektor 32, der das Licht in ein elekrisches Wechselstromsignal umsetzt, das vom Verstärker 34 verstärkt und dann über ein Bandfilter 36, das unerwünschte Frequenzen ausfiltert, einem Hüllkurvendetektor 38 zugeführt wird, der ein Gleichstromsignal abgibt, das der Amplitude des uncodierten Wechselstromsignals proportional ist. Wenn eine größere Signaldiskriminierung erwünscht ist oder benötigt wird, kann anstelle des Codierdetektors 38 ein Kohärenzdetektor verwendet werden, der die Phase oder die Codierung der empfangenen uncodierten bzw. codierten Signale mit der entsprechenden Größe des ausgesendeten Signals vergleicht. Im Falle eines codierten Signals würde anstelle des Bandfilters 36 ein Tiefpaßfilter verwendet werden, das das codierte Signal durchlassen kann. Ein Komparator 40 vergleicht das Ausgangssignal des Detektors 38 mit einer Bezugsspannung V_R, die einen Schwellenwert festlegt, der überschritten werden muß, damit am Komparatorausgang ein Gleichstromsignal erzeugt wird. Ein solches Gleichstromsignal ist vorhanden, wenn genügend Licht vom Rotor 10 während jeder seiner Umdrehungen reflektiert wird, während es nicht vorhanden ist, wenn auf Grund des geschwärzten Bereichs keine Lichtreflexionen vorhanden sind, was zu einem Signalimpuls bei jeder Rotorumdrehung führt. Es kann zwar eine einzige Bezugsspannung V_R verwendet werden, doch hat es sich als wünschenswert erwiesen, mittels einer Hystereseschaltung 42 zwei Bezugsspannungen zu verwenden, wobei ein Bezugsspannungswert bei Anwesenheit von reflektiertem Licht vorliegt, während ein zweiter, höherer Bezugsspannungswert bei Fehlen von reflektiertem Licht vorliegt. Es wird unten noch genauer erläutert. Das Ausgangssginal des Komparators 40 wird über eine Pufferschaltung 44 einem Digitalzähler 46 zugeführt, der die Impulszahl aufaddiert, die die Anzahl der Umdrehungen des Meßgeräterotors und folglich den elektrischen Verbrauch anzeigt, der dann mittels einer entsprechenden Schaltung zu einem entfernten Überwachungsort übertragen werden kann.

In Fig. 2 ist eine Schaltung zur Ansteuerung der Leuchtdiode 24 dargestellt. In dieser Schaltung liegt die Leuchtdiode 24 parallel zur Kollektor-Emitter-Strecke eines NPN-Transistors 48, dessen Kollektor über einen Widerstand 50 und einen Thermistor 52 mit der positiven Klemme einer Gleichspannungsquelle 49 in Verbindung steht, deren negative Klemme an Masse liegt. Die Pufferstufe 28 zur Ansteuerung des Transistors 48 besteht aus einem NPN-Transistor 54, dessen Emitter mit der Basis des Transistors 48 verbunden ist und dessen Kollektor über einen Widerstand 56 mit der positiven Klemme der Gleichspannungsquelle 49 in Verbindung steht. Die Basis des Transistors 54 steht über einen Widerstand 58 mit dem Ausgang der an Masse liegenden Wechselstromsignalquelle 26 in Verbindung; ein Kondensator 60 liegt zwischen der Basis des Transistors 54 und Masse. Die Kombination aus dem Widerstand 58 und dem Kondensator 60 wirkt als Tiefpaßfilter, damit die hochfrequenten Harmonischen der Schaltströme herabgesetzt werden, die beispielsweise am Ausgang der Wechselstromsignalquelle 26 mit dem Rechtecksignal auftreten. Wenn der Transistor 54 während der positiven Halbperiode des Ausgangssignals des Wechselstromsignalgenerators 26 leitet, schaltet er den Transistor 48 ein, so daß die Leuchtdiode 24 nicht mehr genügend Strom zur Erzeugung von Licht erhält. Wenn der Transistor 54 während des negativen Abschnitts des Wechselstromsignals gesperrt wird, sperrt er auch den Transistor 48, so daß nun genügend Strom aus der Gleichstromquelle 49 zur Leuchtdiode 24 fließen kann, damit diese veranlaßt wird, Licht zu erzeugen. Der Thermistor 52 ist in der Schaltung enthalten, damit er den nachteiligen Einflüssen ansteigender Temperaturen auf die Leuchtdiode 24 entgegenwirkt, deren Ausgangslicht mit dem Anstieg der Temperatur abnimmt. Ansteigende Temperaturen verringern den Widerstandswert des Thermistors 52, so daß mehr Strom durch die Leuchtdiode 24 fließen kann, damit die im anderen Fall reduzierte Lichtabgabe kompensiert wird.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Schaltung für den Empfänger, dessen Arbeitsweise für den Fachmann ohne weiteres erkennbar ist. Eine Photodiode 32 ist über einen Widerstand 62 mit einem Ende an die positive Klemme einer mit der negativen Klemme an Masse liegenden Gleichstromquelle 64 und mit dem anderen Ende an einen Vorverstärker 66 angeschlossen, auf den ein Nachverstärker 68 folgt. Ein Bandfilter 36 läßt innerhalb seines Durchlaßbereichs liegende Signale zu einem Detektor 38 durch, der aus einer Halbweg-Gleichrichterdiode 70 und einem Widerstand 72 mit einem dazu parallel geschalteten Kondensator besteht, wobei diese Bauelemente eine Mittelwertbildungsschaltung darstellen.

Das am Kondensator 74 erzeugte Gleichstromsignal wird dem negierenden Eingang des von einem Operationsverstärker gebildeten Komparators 40 zugeführt, bei dem eine Mitkopplung über einen Widerstand 76 angewendet wird, der zwischen seinem Ausgang und seinem nichtinvertierenden Eingang liegt. Der nichtinvertierende Eingang des Komparators 40 steht über Widerstände 78 und 80 mit der Gleichstrom quelle 64 in Verbindung, wobei ein weiterer Widerstand 82 zwischen dem Verbindungspunkt der zwei zuvor genannten Widerstände und Masse liegt. Diese Teileranordnung ergibt eine Bezugsspannung V_R mit zwei Werten zur Erzielung der zwei Schwellenwerte, auf die oben Bezug genommen wurde. Wenn das Ausgangssignal des Komparators 40 einen hohen Wert hat, was einem niedrigen Signal an seinem invertierenden Eingang (ohne Lichtreflexionen) entspricht, ist die Bezugsspannung V_R an seinem nichtinvertierenden Eingang ebenfalls hoch. Wenn die am Kondensator 74 erzeugte Spannung hoch ist, was der Anwesenheit von Lichtreflexionen entspricht, hat das Ausgangssignal des Komparators 40 einen niedrigen Wert, so daß die dem nichtinvertierenden Eingang zugeführte Bezugsspannung V_R nachfolgt und ebenfalls niedrig wird. Die relativen Werte der zwei Bezugsspannungen V_R werden natürlich durch Spannungsaufteilung mittels der Widerstände 76 bis 82 erzeugt.

Das Ausgangssignal des Komparators 40, das zwei Werte aufweisen kann, wird über den Puffer 44 nach Fig. 3 dem Zähler 46 zugeführt, indem die den Umdrehungen des Meß geräterotors 10 entsprechenden Impulse aufaddiert werden; der aufaddierte Zählerstand steht dabei zur Übertragung zu einem zentralen Überwachungsort zur Verfügung.

Die günstige Wirkung der Anwendung der Hysterese bei dem Komparator 40 ist in Fig. 4 veranschaulicht, in der die zwei Umdrehungsausgangskurven 84 und 86 des Detektors 38 die maximalen bzw. minimalen erreichbaren Signale entsprechend dem Vorhandensein von Lichtreflexionen (in den zwei mit "glänzende Fläche" bezeichneten Endzonen von Fig. 4) und dem Fehlen von Lichtreflexionen (in der mit " geschwärzte Fläche" bezeichneten Mittelzone). Während der Anwesenheit von Lichtreflexionen ist der Schwellen wert 88 eingestellt, während er beim Fehlen von Lichtreflexionen hoch eingestellt ist. Auf diese Weise wird es schwieriger, eine Lichtreflexion zu identifizieren, sobald ein reflexionsfreies Intervall begonnen hat, so daß alles vermieden wird, was sonst zu fehlerhaften Anzeigen führen könnte, die durch veränderliche oder störende Signale an den Grenzen des geschwärzten Bereichs 14 des Meßgeräte rotors 10 entsthehen könnten. Dies ist besonders wichtig, da die Umdrehungen des Meßgeräterotors den Energieverbrauch und folglich die davon abhängige, dem Verbraucher ausge stellte Rechnung bestimmen.

Die einfache Möglichkeit, vorhandene Stromzähler an die beschriebene Elektronik räumlich anzupassen, ist in Fig. 5 veranschaulicht, die eine Seitenansicht eines typischen Stromzählers nach der Änderung zeigt. Die gesamte elektro nische Schaltung zum Erzeugen und Aussenden des Lichts zum Stromzähler 90 und zur Feststellung von Lichtreflexio nen ist in einem Kasten 92 untergebracht, der durch eine Leitung 94 vom Stromzähler getrennt ist, die in ein einziges Kabel 91 bildenden Lichtleitfaserbündel 20 und 22 ent hält. Das Kabel 91 ist in den durch den Glasdeckel 95 sichtbaren Stromzählerraum 93 durch ein (nicht darge stelltes) Entlüftungsloch geführt, das normalerweise in der Metalltrennwand angebracht ist, die den Strom zählerraum vom Sockel 96 trennt, in den das elektrische Stromnetz über die Leitung 98 eingeführt wird. Der Glas deckel 95 wird durch Öffnen einer Sperre 97 und eines Klemm rings 99 vom Sockel 96 entfernt.

Die Lichtleitfaserbündel 20 und 22 werden im Stromzähler raum 93 mittels einer Platte 100 befestigt, die durch Schrauben oder auf andere Weise unter einer (nicht darge stellten) Frontplatte an dem Arm 102 befestigt wird. Das Kabel 91 ist mit Hilfe einer Klemme 104 an der Platte 100 befestigt, in der eine Anschlußhülse 106 am Ende des Kabels 91 durch Einschnappen angebracht wird, so daß die Enden der Lichtleitfaserbündel in eine Lage dicht neben dem Rotor 10 gebracht werden. Es sei bemerkt, daß diese Anordnung keine räumliche Umgestaltung des Strom zählerraums mit sich bringt; es muß lediglich die Platte 100 angebracht werden, und auf dem Meßgeräterotor 10 muß der geschwärzte Bereich 14 angebracht werden. Auf diese Weise kann der vorhandene Stromzähler ohne weiteres so angepaßt werden, daß er die seine Umdrehung anzeigenden Signale an einen entfernten Punkt liefert, ohne daß seine empfindliche Mechanik beeinflußt wird.

Wie die obigen Ausführungen zeigen, ergibt sich auf Grund der Erfindung eine einfache Möglichkeit, vorhandene Watt stundenzähler so anzupassen, daß sie ein elektrisches Signal liefern, das sich für die Übertragung zu einem entfernten Überwachungsort eignet, und das die Umdrehungen des Zählerrotors und folglich den elektrischen Verbrauch anzeigt. Durch Verwendung von Lichtreflexionen, die mit Hilfe der Lichtleiterfasertechnik übertragen werden, kann die gesamte elektrische Schaltung zur Erzeugung und Fest stellung des Lichts räumlich getrennt vom Stromzähler untergebracht werden, damit Änderungen an dessen Gehäuse auf ein Minimum herabgesetzt werden. Durch Umwandlung eines Wechselstromsignals anstelle eines Gleichstrom signals setzen die Signalverarbeitungsverfahren mit Filterung und unter Anwendung der Hysterese die Wahr scheinlichkeit fehlerhafter Ablesungen herab, die sich aus Störsignalen ergeben können, die durch Rauschen und durch Änderungen der Eigenschaften der Bauelemente auf Grund sich ändernder Umgebungstemperaturen erzeugt werden.

Claims

1. Rotationsfühler zur Überwachung der Rotation eines Meßge räterotors, der in Umfangsrichtung einen lichtreflektierenden Oberflächenbereich und einen nicht-lichtreflektierenden Ober flächenbereich aufweist, mit einer Licht auf einen die Ober flächenbereiche enthaltenden Abschnitt des Rotors strahlenden Lichtquelle, einer Detektorvorrichtung zum Umsetzen des von dem lichtreflektierenden Oberflächenbereich des Rotors bei dessen Drehung periodisch reflektierten Lichts in entsprechen de elektrische Impulse und einem Zähler zum Aufaddieren der Anzahl der Impulse, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Lichtquelle (24), die Detektorvorrichtung (32, 34, 36, 38, 40, 42, 44) und der Zähler (46) an einem vom Meßge räterotor (10) entfernten Ort angeordnet sind,
- daß zur Lichtübertragung zwischen der Lichtquelle (24) und dem Meßgeräterotor (10) sowie zwischen diesem und der Detek torvorrichtung Lichtleitfasern (20, 22) verwendet sind,
- daß eine Wechselstrom-Signalquelle (26) für sinusförmige oder uncodierte oder codierte Rechteck-Signale vorhanden ist, die die Lichtquelle (24) ansteuert,
- daß die Detektorvorrichtung eine Diskriminatorvorrichtung (36) enthält, die nur Wechselstrom-Signalanteile durchläßt, die den Signalen aus der Wechselstrom-Signalquelle (26) ent sprechen
- und außerdem einen Umsetzer (39, 40, 42, 44) enthält, der die durchgelassenen Signale in ein impulsförmiges Signal um setzt und dem Zähler (46) zuführt.

2. Rotationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorvorrichtung (36) ein Filter ist, das nur Signalanteile durchläßt, deren Frequenzen innerhalb eines vor bestimmten Bereichs um die Frequenz des von der Wechselstrom- Signalquelle erzeugten Signals liegt.

3. Rotationsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatorvorrichtung ein Kohärenzdetektor (38) ist, der nur Signalanteile durchläßt, deren Phase mit dem von der Wechselstrom-Signalquelle (26) erzeugten Signal kohärent ist.

4. Rotationsfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Ausgangssignal der Diskriminatorvorrichtung (36) in einer Gleichrichterschaltung (38) in ein impulsförmi ges Gleichstromsignal umgesetzt und einer Schwellwertschaltung (40, 42) zugeführt wird.

5. Rotationsfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schwellwertschaltung (40, 42) zwei vorbestimmte Schwellenwerte wirksam werden, nämlich ein Schwellenwert bei Anwesenheit von Lichtreflexionen und ein höherer Schwellenwert bei Abwesenheit solcher Lichtreflexionen.