DE3317463C2 - Berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung - Google Patents
Berührungslose ZeigerpositionserfassungseinrichtungInfo
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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
10
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
15
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)
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
Priority Applications (1)
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DE19833317463 DE3317463C2 (de) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | Berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3317463C2 true DE3317463C2 (de) | 1985-05-23 |
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ID=6198910
Family Applications (1)
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DE19833317463 Expired DE3317463C2 (de) | 1983-05-13 | 1983-05-13 | Berührungslose Zeigerpositionserfassungseinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3317463C2 (de) |
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