DE3317463C2 - Berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung - Google Patents

Abstract

Die berührungslose Zeigererfassungseinrichtung zur Erfassung des Zeigerstandes für mehrere Zeiger dient beispielsweise zur sekundengenauen Steuerung von Schlagwerken in Schlaguhren, elektrischen Kontakten und anderen zeitlich oder räumlich zu betätigenden Schaltwerken. Bei der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 4 wird die Zeigerstellung durch Sensorpunkte auf dem Zifferblatt festgestellt und sofort ohne elektromechanische oder mechanische Mittel in ein Steuersignal umgewandelt. Die Abtastung geschieht kapazitiv, wobei die Fühlelemente ohne großen Aufwand durch Aufdampfen oder Drucken auf dem Zifferblatt hergestellt werden. Die Sensorpunkte werden in Abhängigkeit vom Betriebszustand von einem dafür programmierten Mikrocomputer verschieden zyklisch abgefragt. Am Ausgang des Mikrocomputers werden durch das implementierte Programm Signale zur Schlagauslösung ausgegeben. Am Uhrwerk ist nur ein galvanischer oder kapazitiver Kontakt für alle erfaßten Zeiger notwendig. Normale Uhrwerke können fast ohne Änderung auf Schlagwerkuhren und Uhren mit Zeigerstandserfassung umgerüstet werden. Die Bauhöhe der Uhrwerke kann klein gehalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine berührungslose Zeigererfassungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 Zweck 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 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.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Zeigerpositionserfassungseinrichtung 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, be-

dingt durch die umgekehrte Proportionalität 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/Cnu« in Abhängigkeit von der normierten Verschiebung x/s der Kondensatorplatten der Verlauf nach F ig. 1.

Die zu diesem Verlauf zugehörige normierte Sensorempfindlickkeit

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F i g. 4: Meßprinzip arn Beispiel eines Sensors, F i g. 5: Blockschaltbild einer realisierten Schaltung, F i g. 6: Schaltbild einer realisierten Schaltung. Da der verwendete Mikrocomputer nur einen Taktzähleingang T1 aufweist, muß der jeweils auszuwertende Multivibratorausgang durch eine entsprechende Ansteuerung der beiden Multiplexer über P10 ... 14 auf den Taktzähleingang TX durchgeschaltet werden. Der Multiplexer hat die Eingänge .y*. Der Eingang y* (z.B. Jt=O ... 15) des Multiplexers wird auf den mit dem Taktzähleingang Ti verbundenen Ausgang durchgeschaltet, wenn

(A 3,A ZA UA 0)tin = (Pi3,Pi2,PU,P i0)_bi„ = k

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hat den Verlauf nach F i g. 2.

Das Sensorsystem ist also äußerst einfach mit durch Ätztechnik herzustellenden Sensoren (z. B. flexible Fo- 20 ist. lien) herzustellen. Dadurch ist das kapazitive Sensorsystem weitaus kostengünstiger als jedes andere in Betracht kommende Sensorsystem.

Folgende besondere Vorteile ergeben sich durch die Erfindung:

~ED=0

maximale Empfindlichkeit eines Sensorelements in unmittelbarer Umgebung des Solldetektionspunktes; dieses Maximum kann durch eine leichte seitliche Versetzung der Sensoren gegenüber dem SoIldetektionspunktes 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 wiedei um sind mit Hilfe des als Signalverarbeitungseinheit verwendeten Mikrocomputers auswertbar.

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Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:

Fig.3: Stationen der Signalaufbereitung zjr kapazitiven Zeigerpositionserfassung bei einer Uhr.

Die Meßwertaufnehmer in Form von kapazitiven Abstandssensoren bestehen aus einer Zeiger — Sensorpunkt — Kombination. Sie formt das nichtelektrische Signal »Abstandsänderung Δχ«, welches durch eine Positionsänderung des Zeigers entsteht, in eine elektronisch erfaßbare physikalische Meßgröße »Kapazitätsänderung ΔΟ< um. Die Signalaufbereitungseinheit — auch Wand'crsystcrfi 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 Zeiger-Dositionen verwendet.

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60 Da 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 Sensors im ungünstigsten Fall. Die Positionserkennung hat z. B. beim Minutenzeiger demnach nun die Grundstruktur nach F i g. 7, die die Grundstruktur des Programmablaufplans zur Bestimmung der Zeigerpositionen zeigt.

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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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 gekennzeichnet, 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 abgelegt und 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. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf der Abfrage der Zeiger-Sektoren-Kapazitäten über ein programmierbares elektronisches Rechenwerk erfolgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Speicher des 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. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein über Funk oder Leitung t>o empfangenes Zeitsignal mit dem ermittelten Zeigerstand verglichen wird und über ein programmierbares elektrisches Rechenwerk die Fehlanzeige ermittelt wird und mittels eines Nachstellsignals beseitigt wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Skalen mittels eines oder mehrerer Zeiger abgetastet werden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 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. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Zeiger durch eine kapazitive, nichtgalvanische Kopplung erfolgt