DE3317463A1 - Beruehrungslose zeigerpositionserfassungseinrichtung - Google Patents

Description

• Berührungslose
• Zeigerpositionserfassungseinrichtung Zur Schlagwerksteuerung und auch zur Nachführung von Analoguhren gegenüber einer extern vorgegebenen Referenz (z.B. durch DCF 77) ist es notwendig, den Stand der Uhrzeiger zu erfassen.
• Mit Abständen von 15 Minuten geschah dies zum Zwecke der Schlagwerksteuerung bisher entweder mechanisch oder mit Hilfe sogenannter Kodierscheiben, von denen der kodierte.Zeigerstand über Schleifringe abgenommen werden kann.
• Der offensichtliche Nachteil dieser Methode liegt in der erforderlichen elektrisch-mechanischen Kontaktierung, die sehr anfällig gegenüber Verschleiß und Verschmutzung bzw. Oxidation auf den Schleifringen ist.
• Weiterhin ist bei dieser Art der Zeitkodierung eine eindeutige Zuordnung zwischen der im Uhrwerk befindlichen Kodierscheibe und den Zeigern notwendig.
• Ein weiterer Nachteil der elektromechanischen Zeigerpositionserfassung ist der relativ große Raumbedarf.
• Schon bei der Kodierung des Zeigerstandes in 15-Minuten-Abständen sind zur eindeutigen Entscheidung insgesamt 6 Bit notwendig, bei einer Kodierung in 5-Minuten-Abständen wären dies sogar 8 Bit. Die dafür erforderlichen 6 bzw. 8 Schleifringe führen selbst bei sehr kleinen und entsprechend anfälligen Kontakten zu einem relativ großen Raumbedarf, was bei einer weiteren Miniaturisierung der Uhrwerke sehr hinderlich sein würde.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Möglichkeit zur berührungslosen Erkennung der tatsächlichen Zeigerpositionen zu realisieren, bei welcher die oben angeführten Nachteile vermieden werden können.
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung gelöst: Die elektrisch leitende Zeiger und Sektoren auf dem Zifferblatt bilden ein kapazitives System. Dabei.ergeben sich Änderungen der Kapazität zwischen Sektor und Zeiger, wenn der Zeiger über die Sektoren bzw. das Zifferblatt bewegt-wird. Die Anschlüsse der Sektoren bzw. der Zeiger werden einem Kapazitätsmeßsystem zugeführt. das in bevorzugter Weise einem kapazitiv gesteuerten Multivibrator zugeführt wird. Dessen Frequenz ändert sich umgekehrt proportional zu der Kapazität zwischen Zeiger und Sektor. Diese Frequenz wird über eine Multiplexeinrichtung-von den Multivibratoren abgefragt und einem Frequenzzähler zugeführt. Dieser mißt die Frequenzen der Multivibratoren in vorgegebenen Zeitabständen und legt sie in bestimmte elektrische Speicherplätze ab.
• Es werden nun die gemessenen Frequenzen miteinander verglichen. Bei einer bestimmten programmierten Frequenzänderung wird ein Schaltverstärker aktiviert und eine elektronische Schaltung bzw. ein Signal ausgelöst.
• Die Sensoranordnung besteht aus den Zeigern und den auf dem Zifferblatt aufgebrachten Metallelektroden.
• Eine derartige Anordnung ist in der Lage, eine Änderung der Zeigerpositionen in elektronisch erfassbare Änderungen der Kapazitäten zwischen den Zeigern und den Elektroden auf dem Zifferblatt (Sektoren senkrecht zur Zeigerbewegungsrichtung) umzuformen.
• Die Sensoranordnung auf dem Zifferblatt besteht lediglich aus metallischen Elektroden und ist deshalb sehr leicht realisierbar. Ebenfalls stellt diese Methode keine besonderen Anforderungen an das Zeigermaterial, das lediglich elektrisch leitfähig sein muß.
• Wegen des relativ großen Abstandes zwischen den beiden Sensorelementen (Abstand zwischen Zeiger und jeweiliger Elektrode) ergeben sich sehr kleine Absolutwerte der Kapazität der Anordnung.
• Die Kapazität fällt mit zunehmendem Abstand, bedingt durch die umgekehrte Proportionallität zum Abstand, ab.
• Derartige kapazitive Sensoren sind deshalb für Abstandsmessungen nur bedingt einsatzfähig, eignen sich jedoch durchaus für die Messung von Abstandsänderungen.
• Es ergibt sich für die normierte Kapazität = C/Cmax in Abhängigkeit von der normierten Verschiebung x/s der Kondensatorplatten folgender Verlauf: Fig. 1 Die zu diesem Verlauf zugehörige normierte Sensorempfindlichkeit hat folgenden Verlauf: Fig. 2 Das Sensorsystem ist also äußerst einfach durch Ätztechnik herzustellende Sensoren (z.B. flexible Folien) herzustellen. Dadurch ist das kapazitive Sensorsystem weitaus kostengünstiger als jedes andere in Betracht kommende Sensorsystem.
• Folgende besondere Vorteile ergeben sich durch die Erwindung: - maximale Empfindlichkeit eines Sensorelements in unmittelbarer Umgebung des Solldetektionspunktes; dieses Maximum kann durch eine leichte seitliche Versetzung der.Sensoren gegenüber dem Solldetektionspunktes sogar genau in diesen gelegt werden.
• - sehr geringer Stromverbrauch, da es sich um ein Sensorsystem auf elektrostatischer Basis handelt und sowohl die Meßkapazitäten als auch die Meßfrequenzen relativ gering sind.
• - da keine galvanischen Kontakte zu den Zeigern erforderlich sind ist lediglich ein Schleifer an der jeweiligen Zeigerachse anzubringen, um diesen an Masse zu legen, wobei jedoch eine kapazitive Kopplung genügt. Die Kopplungskapazität ist um Zehnerpotenzen größer als die in Reihe liegende Meßkapazität und fällt somit nicht ins Gewicht.
• - es ist jeweils nur eine Zuleitung zu den Sensorpunkten erforderlich.
• - diese Kapazitätsänderungen werden über RC-Kombinationen in Frequenzänderungen umgeformt. Die Frequenzänderungen wiederum sind mit Hilfe des als Signalverarbeitungseinheit verwendeten Mikrocomputers auswertbar.
• Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert: Fig. 3: Stationen'der Signalaufbereitung zur kapazitiven Zeigerpositionserfassung bei einer Uhr Die Meßwertaufnehmer in Form von kapazitiven Abstandssensoren bestehen aus einer Zeiger - Sensorpunkt -Kombination. Sie formt das nichtelektrische signal "Abstandsänderung Ax", welches durch eine Positionsänderung des Zeigers entsteht, in eine elektronisch erfassbare physikalische Meßgröße "Kapazitätsänderung um. um. Die Signalaufbereitungseinheit - auch Wandlersystem genannt - erzeugt hieraus eine Änderung in der Impulsdauer des Ausgangssignals der Multivibratoren.
• Diese wird vom Verarbeitungssystem, bestehend aus einem Mikrocomputer z.B. 8748 erfasst und als Ausgangsbasis für eine Berechnung der Zeigerposition verwendet.
• Fig. 4: Meßprinzip am Beispiel eines Sensors Fig. 5: Blockschaltbild einer realisierten Schaltung Fig. 6: Schaltbild einer realisierten Schaltung Da der verwendete Mikrocomputer nur einen Taktzähleingang T 1 aufweist, muß der jeweils auszuwertende Multivibratorausgang durch eine entsprechende Ansteuerung der beiden Multiplexer über P 10 ... 14 auf den Taktzähleingang T 1 durchgeschaltet werden.
• Der Multiplexer hat die Eingänge Yk.
• Der Eingang k (z.B. k = 0 . . 15) des Multiplexers wird auf den mit dem Taktzähleingang T 1 verbundenen Ausgang durchgeschaltet, wenn (A 3, A 2, A 1, A O)bin (P 13, P 12, P 11, P 10bin = k und ED = 0 ist.
• Pa die Empfindlichkeiten der Einzelsensoren stark voneinander abweichen, haben die Einzelergebnisse dem prinzipiellen Verlauf überlagerte, wechselnd stark ausgeprägte Störungseinflüsse.
• Diese Störeinflüsse werden durch ein "intelligentes" Auswertprogramm des Mikrocomputers wie folgt eliminiert: Ein Minimum in einem Zählwertverlauf das einer Zeigerposition exakt über dem Sensor entspricht, wird dann erkannt, wenn der Zählwert bei einem Sensor zunächst um einen bestimmten Wert abfällt um dann wieder anzusteigen.
• Die Detektionsschwellen werden aus obigen Gründen dynamisch an die jeweiligen Zählwertverläufe der Sensoren angepasst. Dabei muß die Detektionsschwelle größer sein, als die auftretenden Störpegel des zugehörigen Sensor im ungünstigsten Fall. Die Positionserkennung hat z.B.
• beim Minutenzeiger demnach nun die folgende Grundstruktur: Fig. 7: Grundstruktur des Programmablaufplan zur Bestimmung der Zeigerpositionen Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß trotz kleiner Meßkapazitäten und Störeinflüssen eine einwandfreie Funktion der Zeigerstandserfassung möglich ist, wobei relativ einfach herstellbare kapazitive Sensoren verwendet werden, die mit Hilfe eines elektronischen Rechenwerks fehlerfrei ausgewertet werden.

Claims (8)

1. Patentansprüche 1. Berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung zur-Erfassung des Zeigerstandes für mehrere Zeiger, insbesondere für Uhren zur berührungslosen Erfassung des Zeigerstandes zur sekundengenauen Steuerung von Schlagwerken, Kontakten und anderen zeitlich oder räumlich zu betätigenden Steuerungen, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die bewegten Zeiger und das Zifferblatt ein kapazitives System bilden, wobei das von den elektrisch leitenden und mit mindestens einem isolierten Anschluß versehenen Zeigern überstrichene Zifferblatt in Sektoren senkrecht zu den Zeigerbewegungsrichtungen aufgeteilt ist und für jeden Zeiger, insbesondere für Stunden-, Minuten- und Sekundenzeiger eine entsprechende Teilung der Sektoren auf dem Umfang des Zifferblattes aufweist und die Sektoren leitend und gegen die übrigen Sektoren isoliert sind und jeweils mit einem elektrischen Anschluß versehen sind die Kapazitätsmeßeinrichtungen zugeführt werden, die mittels der zwischen den Zeigern und den Sektoren bestehenden Kapazitäten kapazitiv gesteuerte Multivibratoren so steuern, daß deren Frequenzen umgekehrt proportional zu den Zeiger-Sektoren-Kapazitäten sind, die über eine Multiplexeinrichtung einem Frequenzzähler zugeführt werden, der in vorgegebenen Zeitabständen diese Frequenz mißt und den jeweils gemessenen Wert in einem Speicher ablegt und z.B. die nächste zu einem bestimmten Zeitpunkt gemessene Frequenz mit der vorhergehenden Messung vergleicht und aus dem Frequenzunterschied eine Frequenzänderung feststellt, die zum vorprogrammierten Zeitpunkt einen Schaltverstärker aktiviert und eine elektronische Schaltung bzw. ein Signal auslöst.
2. 2. Nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Ablauf der Abfrage der Zeiger-Sektoren-Kapazitäten über ein programmierbares elektronisches Rechenwerk erfolgt.
3. 3. Nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß an beliebig vorgegebenen Zeitpunkten bzw.

   Zeigerstellungen eine Schaltung/Signal ausgelöst wird, diese Zeitpunkte in einem programmierbaren elektronischen Rechenwerk gespeichert werden und durch dauernden Vergleich mit der dauernd zugeführten Zeigerstandsinformation ein Zeitpunkt für die Auslösung einer Schaltung/ Signal festgestellt wird.
4. 4. Nach Anspruch 1 + 2 + 3 dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß ein elektronischer Speicher eines programmierbaren elektronischen Rechenwerks zusätzlich eine digitalisierte Schlaguhrmelodie gespeichert ist, die zu dem ermittelten Zeigerstand vom Rechenwerk abgerufen wird und über eine Ausgabeeinheit und Verstärker diese Schlaguhrmelodie zum richtigen Zeitpunkt bzw Zeigerstand abspielt.
5. 5. Nach Anspruch 1 + 2 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß ein über Funk oder Leitung empfangenes Zeitsignal mit dem ermittelten Zeigerstand verglichen wikd und über ein programmierbares elektrisches Rechenwerk die Fehlanzeige ermittelt wird und mittels eines Nachstellsignals beseitigt wird.
6. 6. Nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß Skalen mittels eines oder mehrerer Zeiger abgetastet werden.
7. 7. Nach Anspruch 1 + 6 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das von den Zeigern überstrichene Zifferblatt bzw. Skale aus einer flexiblen und selbstklebenden Folie besteht und mit aufgebrachten leitenden Flächen und Bahnen versehen ist.
8. 8. Nach Anpruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Anschluß der Zeiger durch eine kapa--zitive, nicht galvanische Kopplung erfolgt.