DE4137695C2 - Sensoranordnung zur Feststellung des Bewegungszustandes eines Rotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Feststellung des Bewegungszustandes eines Rotors, der wenig­ stens zwei Sektoren mit unterschiedlichen magnetischen Eigen­ schaften aufweist, mit wenigstens zwei, angrenzend an den Rotor angeordneten Sensoren, die jeweils einen Schwingkreis enthalten, der durch die zwei Sektoren des Rotors unter­ schiedlich derart gedämpft wird, daß eine Schwingung bei im­ pulsförmiger Erregung abhängig von den magnetischen Eigen­ schaften des ihm angenäherten Sektors langsamer oder schnel­ ler abklingt, und einer Auswertungsschaltung, die die Anzahl der Schwingungen der Schwingkreise, die bis zum Absinken der Schwingungsamplitude unter einen Schwellenwert auftreten, feststellt und daraus in einer Bewegungserkennungslogik Signale zum Anzeigen des Bewegungszustandes des Rotors ablei­ tet.

Aus der DE 39 23 398 C1 ist eine Sensoranordnung bekannt, mit der der Bewegungszustand eines Rotors festgestellt werden kann. Die von Schwingkreisen gebildeten Sensoren liefern nach impulsförmiger Erregung im gedämpften Zustand und im unge­ dämpften Zustand eine unterschiedliche Anzahl von Schwingun­ gen bis zum Absinken der Amplitude unter einen bestimmten Wert, jedoch ändert sich diese Anzahl in Abhängigkeit von Umgebungseinflüssen wie der Temperatur oder auch aufgrund der Alterung der beteiligten Bauelemente. Diese Änderung kann unter Umständen soweit gehen, daß eine bestimmte Anzahl von Schwingungen, die der Schwingkreis im ungedämpften Zustand durchführt, wegen der äußeren Einflüsse so niedrig geworden ist, daß sie in den Bereich der Anzahl von Schwingungen kommt, die der Schwingkreis ursprünglich im gedämpften Zu­ stand durchführte. Damit dennoch eine einwandfreie Unter­ scheidung des gedämpften und des ungedämpften Zustandes der Schwingkreise ermöglicht wird, werden in der bekannten Anord­ nung die Sensoren in einer solchen Zuordnung zu den unter­ schiedliche magnetische Eigenschaften aufweisenden Rotorseg­ menten angebracht, daß unter allen Betriebszuständen stets ein ungedämpft schwingender Schwingkreis und ein gedämpft schwingender Schwingkreis vorhanden sind. Aus den festge­ stellten Anzahlen der Schwingungen wird ein Mittelwert gebil­ det, der als Schwellenwert für die Unterscheidung des ge­ dämpften und des ungedämpften Zustandes herangezogen wird. Jede Anzahl von Schwingungen, die über dem durch Mittelwert­ bildung erzeugten Schwellenwert liegt, wird als die Anzeige eines ungedämpften Schwingkreises betrachtet, während jede unter diesem Schwellenwert liegende Anzahl als Anzeige eines gedämpften Schwingkreises betrachtet wird. Bei dieser Auswer­ tung der Schwingkreissignale wird vorausgesetzt, daß bei je­ der Rotorstellung mindestens ein Schwingkreis gedämpft und ein Schwingkreis ungedämpft ist. Dies stellt eine unerwünsch­ te Einschränkung hinsichtlich der Positionierung der von den Schwingkreisen gebildeten Sensoren am Rotor dar, da es si­ cherlich Fälle gibt, in denen aufgrund mechanischer Ein­ schränkungen nicht beliebig viele Möglichkeiten zur Anbrin­ gung der Sensoren vorhanden sind. Auch die jeweils erforder­ liche Mittelwertbildung bedingt einen erhöhten Aufwand in der Auswertungsschaltung, der die Herstellungskosten negativ be­ einflußt, insbesondere wenn berücksichtigt wird, daß Sensor­ anordnungen der eingangs angegebenen Art in Massenprodukten wie Wasserzählern, Stromzählern, Gaszählern und dergleichen angewendet werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranord­ nung der oben geschilderten Art so auszugestalten, daß unter Beibehaltung einer Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Ein­ flüssen wie Temperatur und Alterung eine zuverlässige Auswer­ tung der Sensorsignale mit sehr geringem Schaltungsaufwand ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswertungsschaltung einen Komparator enthält, der in aufein­ anderfolgenden Auswertungszyklen jeweils die bis zum Absinken der Schwingungsamplitude unter den Schwellenwert festgestellten Anzahlen der Schwingungen der Schwingkreise miteinander vergleicht und ein dem Vorzei­ chen der Differenz der Anzahlen entsprechendes Signal er­ zeugt, und daß die Bewegungserkennungslogik die Signale zur Anzeige des Bewegungszustandes des Rotors durch Vergleich der dem Vorzeichen der Differenz der Anzahlen entsprechenden Signale in aufeinanderfolgenden Auswertungszyklen ableitet.

In der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird die Differenz der jeweils an den Sensorschwingkreisen bis zum Absinken der Schwingungsamplitude unter einen Schwellenwert auftretenden Schwingungen gebildet, wobei der Komparator das Ergebnis der Differenzbildung in Form des Vorzeichens des Differenzergeb­ nisses erkennen läßt. Da unabhängig von äußeren Einflüssen stets eine Differenz der Anzahl der festgestellten Schwingun­ gen im gedämpften Zustand und im ungedämpften Zustand der Sensorschwingkreise vorhanden ist, ist eine weitere Verarbei­ tung nicht erforderlich. Ob sich der Rotor bewegt oder nicht, kann die Bewegungserkennungslogik dann einfach durch Ver­ gleich der Vorzeichensignale in zwei aufeinanderfolgenden Auswertungszyklen feststellen. Findet ein Vorzeichenwechsel statt, ist der Rotor in Bewegung, während dann, wenn das Vor­ zeichen gleichbleibt, ein stillstehender Rotor vorhanden ist oder die Rotorbewegung so gering war, daß keine Änderung der Dämpfungszustände an den Schwingkreisen aufgetreten ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Rotors, dessen Bewegungszustand festgestellt werden soll, wobei dem Rotor zwei Sensoren zugeordnet sind,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Sensoranord­ nung,

Fig. 3A und 3B Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Schwingungen eines Sensorschwingkreises ohne Dämpfung durch den Rotor bzw. der aus diesen Schwingungen abgeleiteten Impulse,

Fig. 4A und 4B ähnliche Zeitdiagramme wie in Fig. 3A und 3B, jedoch an einem Sensorschwingkreis, der durch den Rotor ge­ dämpft ist,

Fig. 5 Zeitdiagramme der an den Punkten A bis F der Sensoran­ ordnung von Fig. 2 auftretenden Signale.

In Fig. 1 ist ein scheibenförmiger Rotor 10 dargestellt, der zwei Sektoren 12 und 14 mit unterschiedlichen magnetisch dämpfenden Eigenschaften aufweist. Dabei kann vorgesehen sein, daß der Sektor 12 nicht magnetisch dämpfend ist, wäh­ rend der Sektor 14 magnetisch dämpfend ist. Dem Rotor 10 sind zwei Sensoren S1 und S2 zugeordnet, die jeweils einen Schwingkreis enthalten, wie er in Fig. 1 schematisch darge­ stellt ist. Bekanntlich hat ein Schwingkreis die Eigenschaft, daß er nach impulsförmiger Erregung mit seiner Resonanzfre­ quenz schwingt, wobei die Schwingungsamplitude aperiodisch abklingt. Wie schnell dieser Abklingvorgang vor sich geht, hängt von der Güte des Schwingkreises und von äußeren Dämp­ fungseinflüssen ab. In der Anordnung von Fig. 1 übt der nicht magnetische Sektor 12 des Rotors 10 keine Dämpfungswirkung auf die Schwingkreise in den Sensoren S1 und S2 aus, während der magnetische Sektor 14 jeweils eine starke Dämpfungswir­ kung hat. Die Schwingungsamplituden der Schwingkreise in den Sensoren S1 und S2 werden daher nach einer impulsförmigen Erregung langsamer oder schneller abnehmen, je nachdem, wel­ cher der Sektoren 12, 14 sich in ihrer Nähe befindet. Aus dem langsameren oder schnelleren Abklingen lassen sich Signale ableiten, die die Feststellung des Bewegungszustandes des Rotors ermöglichen, wie anschließend noch näher erläutert wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Sensoranordnung enthält eine Ab­ laufsteuerschaltung 16, die an verschiedenen Zeitpunkten Steuersignale zur Auslösung bestimmter Vorgänge in der zu beschreibenden Sensoranordnung abgibt. Die Schwingkreise der Sensoren S1 und S2 enthalten jeweils eine Spule L1 bzw. L2 sowie einen Kondensator C1 bzw. C2. Die Schwingkreise können durch Schließen von Schaltern 18, 20 mit Hilfe von Steuersignalen aus der Ablaufsteuerschaltung 16 impulsförmig erregt werden. Zur Auswertung der Schwingungen der Sensoren S1 und S2 werden in einer Auswertungsschaltung 21 Schwellenwert­ schalter 22, 24 benutzt, die jeweils einen Impuls abgeben, wenn die Schwingungsamplitude der ihnen zugeführten Schwingungen über einem fest eingestellten Schwellenwert liegt.

Die von den Schwellenwertschaltern 22, 24 abgegebenen Impulse können in Zählern 26 bzw. 28 gezählt werden. In einem Kompa­ rator 30 können die erreichten Zählerstände miteinander ver­ glichen werden. Der Komparator 30 führt den Vergleichsvorgang nach Empfang eines Steuersignals aus der Ablaufsteuerschal­ tung 16 durch und erzeugt an der Leitung E ein Signal, das erkennen läßt, ob der Stand des Zählers 26 oder der Stand des Zählers 28 größer ist. Über die Leitung F kann den Zählern 26, 28 von der Ablaufsteuerschaltung 16 ein Rückstellsignal zugeführt werden.

In der Bewegungserkennungslogik wird unter der Steuerung durch ein Signal an der Leitung G aus der Ablaufsteuerschal­ tung 16 das vom Komparator erhaltene Signal eines Auswer­ tungszyklus mit dem im vorherigen Auswertungszyklus erhalte­ nen Signal verglichen, um festzustellen, ob sich der Rotor 10 bewegt hat oder nicht.

Die in Fig. 2 dargestellte Sensoranordnung arbeitet wie folgt:

Bei der nachfolgenden Funktionsbeschreibung wird angenommen, daß der Rotor 10 die in Fig. 1 dargestellte Stellung hat, was bedeutet, daß der Schwingkreis im Sensor S1 vom Rotor 10 nicht gedämpft wird, während der Schwingkreis im Sensor S2 gedämpft wird. Die in der Sensoranordnung an den Leitungen A, B, C, D, E, F und G auftretenden Impulse sind in Fig. 5 in einem zeitlichen Zusammenhang zu erkennen.

Zu Beginn eines Auswertungszyklus werden die Schalter 18 und 20 mit Hilfe eines an der Leitung A auftretenden kurzen Im­ pulses aus der Ablaufsteuerschaltung 16 für die Dauer dieses Impulses geschlossen. Dadurch wird den Schwingkreisen in den Sensoren S1 und S2 Energie zugeführt, so daß sie nach Öffnen der Schalter 18 und 20 mit ihrer Eigenfrequenz schwingen. Das aperiodische Abklingen der Schwingkreisamplituden erfolgt dabei in den beiden Sensoren S1 und S2 unterschiedlich schnell, da der Schwingkreis im Sensor S1 nur entsprechend seiner Kreisgüte abklingt, während der Schwingkreis im Sensor S2 zusätzlich von außen durch das magnetische Material des Sektors 14 gedämpft wird. In den Fig. 3A und 4A ist dieses unterschiedliche Abklingverhalten dargestellt. Die Schwin­ gungssignale der Sensoren S1 und S2 werden den Schwellenwert­ schaltern 22, 24 zugeführt, die so ausgebildet sind, daß sie immer dann an den Ausgangsleitungen B und C einen Impuls ab­ geben, wenn das ihnen zugeführte Schwingungssignal größer als der Schwellenwert +S ist. Aus Fig. 3B ist zu erkennen, daß im Falle des Sensors S1 an der Leitung B sechs Impulse erzeugt werden, während im Falle des gedämpften Sensors S2 an der Leitung C drei Impulse abgegeben werden. Im Zähler 26 und im Zähler 28 werden die Impulse gezählt, die ihnen über die Leitungen B bzw. C zugeführt worden sind. Der Zähler erreicht somit den Zählerstand N1=6, während der Zähler 28 den Zähler­ stand N2=3 erreicht. Unter der Steuerung durch ein Signal an der Leitung D aus der Ablaufsteuerschaltung 16 vergleicht der Komparator 30 die beiden Zählerstände miteinander, wobei er feststellt, daß der Zählerstand N1 größer als der Zählerstand N2 ist. Der Komparator 30 ist so ausgebildet, daß er in die­ sem Fall am Ausgang E einen Impuls abgibt. Dieser Impuls ent­ spricht praktisch einer Anzeige des Vorzeichens der Differenz der beiden Zählerstände N1 und N2. Der Impuls tritt nämlich nur dann auf, wenn die Differenz N1-N2 ein positives Vorzei­ chen hat. Im Anschluß daran werden die Zähler 26 und 28 mit Hilfe eines Rückstellimpulses aus der Ablaufsteuerschaltung 16 an der Leitung F wieder auf den Zählerstand Null gesetzt. Mittels eines Impulses, der von der Ablaufsteuerschaltung 16 über die Leitung G der Bewegungserkennungslogik 32 zugeführt wird, wird das Signal an der Leitung E gespeichert.

In Fig. 5 sind die an den Leitungen A-G auftretenden Signale in ihrer zeitlichen Folge angegeben, wobei die in dem ersten Zyklus liegenden Signale diejenigen Signale sind, die beim oben geschilderten Funktionsablauf erzeugt werden.

Für die Erkennung des Bewegungszustandes des Rotors müssen mindestens zwei Auswertungszyklen durchgeführt werden, da nur durch einen Vergleich der in zwei aufeinanderfolgenden Aus­ wertungszyklen erhaltenen Signale an der Leitung E aus dem Komparator 30 erkannt werden kann, ob eine Veränderung der Stellung des Rotors 10 eingetreten ist oder nicht.

Es wird für die weitere Beschreibung angenommen, daß sich der Rotor 10 gedreht hat und eine Stellung erreicht hat, in der der Sektor 14 dem Sensor S1 und der Sektor 12 dem Sensor S2 gegenüberliegt. Dies bedeutet, daß in dieser Position des Rotors 10 der Schwingkreis im Sensor S1 gedämpft wird, wäh­ rend der Schwingkreis im Sensor S2 keiner Dämpfung durch den Rotor 10 unterliegt. Wenn nun der gleiche Ablauf durchgeführt wird, der oben im Zusammenhang mit dem ersten Auswertungs­ zyklus beschrieben wurde, treten an der Leitung B drei Impul­ se auf, da der Schwingkreis im Sensor S1 gedämpft ist, wäh­ rend an der Leitung C sechs Impulse infolge des nicht ge­ dämpften Schwingkreises im Sensor S2 auftreten. Daher ergeben sich die Zählerstände N1=3 und N2=6, was dazu führt, daß der Komparator 30 an der Leitung E ein Signal mit dem Wert 0 ab­ gibt, das anzeigt, daß der Stand des Zählers 26 kleiner als der Stand des Zählers 28 ist. Dieses Signal mit dem Wert 0 entspricht einem negativen Vorzeichen der Differenz N1-N2. In der Bewegungserkennungslogik 32 wird das Signal an der Lei­ tung E ebenfalls zwischengespeichert und mit dem im ersten Auswertungszyklus zwischengespeicherten Signal mit dem Wert "1" verglichen. Da diese beiden Signale unterschiedliche Wer­ te haben, kann die Bewegungserkennungslogik eine Anzeige da­ für erzeugen, daß sich der Rotor 10 gedreht hat. Diese Anzei­ ge ist wiederum ein Signal, das dazu verwendet werden kann, einen Meßzähler fortzuschalten, dessen Stand beispielsweise einen Stromverbrauch, einen Wasserverbrauch oder einen Gas­ verbrauch repräsentiert, wenn angenommen wird, daß der Rotor 10 immer dann in Drehung versetzt wird, wenn Strom, Wasser oder Gas verbraucht wird.

Der in Fig. 5 dargestellte zweite Zyklus läßt die Signale erkennen, die auftreten, wenn sich der Rotor gegenüber der Lage im ersten Zyklus so weit gedreht hat, daß der Sensor 1 der Dämpfungswirkung des Sektors 14 des Rotors 10 unterliegt, während der Sensor 2 nicht mehr im Einflußbereich des dämp­ fenden Materials des Sektors 14 liegt.

Die beschriebene Sensoranordnung ist unempfindlich gegenüber Änderungen der Schwingkreisparameter der Sensoren S1 und S2. Selbst wenn die Güte der Schwingkreise im Laufe der Zeit nachläßt, ist immer noch eine deutliche Unterscheidung des Abklingverhaltens der Schwingkreise bei Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Dämpfung durch den Rotor möglich. In beiden Fällen werden unterscheidbare Zählerstände der Zähler 26 und 28 erhalten, so daß immer eine Differenz gebildet wer­ den kann, die ein positives oder ein negatives Vorzeichen hat. Durch die einfache Auswertung des das Vorzeichen reprä­ sentierenden Signals in der Bewegungserkennungslogik 32 läßt sich eine eindeutige Aussage über den Bewegungszustand des Rotors machen. Insbesondere ist es nicht nötig, in der Schal­ tung zur Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen und sich ändernde Parameter der Schaltungskomponenten Änderungen von Schwellenwerten oder dergleichen durchzuführen. Die si­ chere Auswertung ermöglicht auch den Aufbau der Sensoranord­ nung mit Bauelementen, die keine enge Tolerierung erfordern.

Wenn zusätzlich zum Erkennen des Stillstandes oder der Dreh­ bewegung des Rotors 10 auch noch die Drehrichtung erkannt werden soll, kann dies dadurch geschehen, daß dem Rotor we­ nigstens ein weiterer Sensor hinzugefügt wird und daß eine andere Einteilung der dämpfenden und nicht dämpfenden Sekto­ ren des Rotors vorgenommen wird. Die Ausgangssignale der Sen­ soren werden dann jeweils paarweise in einer Sensoranordnung gemäß Fig. 2 ausgewertet, und es ergeben sich Gruppen von Vorzeichensignalen, die sich je nach der Drehrichtung peri­ odisch wiederholen. In der Bewegungserkennungslogik 32 kann dann durch Vergleich der in aufeinanderfolgenden Zyklen er­ haltenen Signalgruppen erkannt werden, ob eine Drehung im Uhrzeigersinn oder eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn vorliegt.

Claims (1)

1. Schaltungsanordnung zur Feststellung des Bewegungszustandes eines Rotors, der wenigstens zwei Sektoren mit unterschiedli­ chen magnetischen Eigenschaften aufweist, mit wenigstens zwei, angrenzend an den Rotor angeordneten Sensoren, die je­ weils einen Schwingkreis enthalten, der durch die zwei Sekto­ ren des Rotors unterschiedlich derart gedämpft wird, daß eine Schwingung bei impulsförmiger Erregung abhängig von den ma­ gnetischen Eigenschaften des ihm angenäherten Sektors lang­ samer oder schneller abklingt, und einer Auswertungsschal­ tung, die die Anzahl der Schwingungen der Schwingkreise, die bis zum Absinken der Schwingungsamplitude unter einen Schwel­ lenwert auftreten, feststellt und daraus in einer Bewegungs­ erkennungslogik Signale zum Anzeigen des Bewegungszustandes des Rotors ableitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswer­ tungsschaltung (21) einen Komparator (30) enthält, der in aufeinanderfolgenden Auswertungszyklen jeweils die bis zum Absinken der Schwingungsamplitude unter den Schwellenwert festge­ stellten Anzahlen der Schwingungen der Schwingkreise (L1, C1; L2, C2) miteinander ver­ gleicht und ein dem Vorzeichen der Differenz der Anzahlen entsprechendes Signal erzeugt, und daß die Bewegungserkennungslogik (32) die Signale zur Anzeige des Bewegungszustandes des Rotors (10) durch Vergleich der dem Vorzeichen der Differenz der Anzahlen entsprechenden Signale in aufeinanderfolgenden Auswertungszyklen ableitet.