DE4310060A1 - Elektrisches Analog-Anzeigeinstrument mit Rückstelleinrichtung - Google Patents
Elektrisches Analog-Anzeigeinstrument mit RückstelleinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Analog-Anzeigeinstrument mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Derartige Anzeigeinstrumente sind grundsätzlich bekannt und werden z. B. im
Flugzeugbau oder bei Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein Zeiger zum Anzeigen
von Meßwerten an einer Anzeigeskala wird z. B. mittels eines
elektromagnetischen Spulensystems angetrieben. Um eine bestimmte
Anzeigestellung des Zeigers an der Anzeigeskala zu halten, muß die in einem
Dauermagnetfeld zentrisch gelagerte Spule permanent von einem den Meßwert
und der gewünschten Anzeigestellung entsprechenden Strom durchflossen
werden. Hierbei arbeitet das von der Spule gegen den Dauermagneten
erzeugte Magnetfeld gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder. Bei Ausfall
der Betriebsspannung des Anzeigeinstruments erfolgt die Rückstellung des
Zeigers auf eine vorbestimmte Referenzposition, z. B. "0", mittels dieser
Rückstellfeder. Genau arbeitende und robuste Analog-Anzeigeinstrumente mit
derartigen Spulensystemen sind sehr teuer. Die verwendeten Spulensysteme
sind temperaturabhängig. Das Magnetfeld der Spule ist nicht linear.
Stromschwankungen und Nullpunktströme machen sich am Zeiger störend
bemerkbar.
Mittlerweile werden die oben erwähnten elektromagnetischen Spulensysteme
zunehmend durch genauere und robustere Systeme mit einem Schrittmotor
ersetzt. Eine intelligente Steuereinrichtung steuert den Schrittmotor digital an.
Der Anker des Schrittmotors wird innerhalb eines Stators mit einer Folge von
Stromimpulsen von einer Anzeigestellung zur nächsten Anzeigestellung
weitergeschaltet. Da die einzelnen Drehstellungen magnetfeldstabil sind, ver
bleibt der Schrittmotor und der mit ihm mechanisch fest verbundene Zeiger in
seiner jeweiligen Drehstellung ohne weitere Stromzufuhr. Weitere Vorteile des
Schrittmotors sind z. B. sein lineares Anzeigeverhalten,
Temperaturunabhängigkeit und das Vermeiden von aufwendigen
mechanischen Justierarbeiten.
Die Steuereinrichtung dient auch der Aufnahme von Meßwerten physikalischer
Größen, wie z. B. Strom, Spannung, Frequenz oder Widerstand, und der
Weiterverarbeitung der Meßwerte. Bei Betriebsspannungsausfall verbleibt der
Schrittmotor jedoch in seiner zuletzt eingestellten Drehstellung. Der Zeiger zeigt
dadurch einen falschen Meßwert an. Die erwünschte Rückstellung des Zeigers
bei Betriebsspannungsausfall auf die vorbestimmte Referenzposition erfolgt bei
herkömmlichen Analog-Anzeigeinstrumenten mit einem Schrittmotor je nach
Ausführung ebenfalls durch eine Rückstellfeder oder überhaupt nicht. Die
Referenzposition wird im zweiten Fall erst nach Wiedereinschalten der
Betriebsspannung erreicht. Die Montage einer Rückstellfeder ist jedoch auf
wendig und wenig flexibel. Außerdem muß bei den Drehbewegungen des
Schrittmotors eine der Rückstellkraft der Rückstellfeder entgegenwirkende Kraft
berücksichtigt werden, so daß das Leistungsteil des Schrittmotors mehr Energie
verbraucht.
Ausgehend von diesen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
die mit der Rückstellfeder auftretenden Probleme und Nachteile beim Betrieb
des Anzeigeinstrumentes zu vermeiden und die Arbeitsweise des Anzeigein
struments weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe ist durch die Merkmalskombination des Anspruches 1 gelöst.
Auf mechanische Rückstellmittel zur Rückstellung des Zeigers bei
Betriebsspannungsausfall wird vollständig verzichtet. Natürliche Verschleißer
scheinungen im Laufe der Betriebszeit des Anzeigeinstrumentes entfallen da
durch. Die elektronischen Hilfsmittel ermöglichen die zuverlässige Arbeitsweise
des Anzeigeinstruments. In einfacher Weise kann die den Schrittmotor steu
ernde Steuereinrichtung dazu verwendet werden, auch die Rückstellung des
Zeigers zu steuern. Die dabei angewandte Digitaltechnik ermöglicht eine von
eventuellen Stromschwankungen unabhängige, sehr exakte Rückstellung des
Zeigers. Mittels eines Programms der intelligenten Steuereinrichtung sind auch
in einfacher Weise gedehnte Meßbereiche für eine feinere Auflösung des Meß
signals, Meßbereiche mit Offset oder mit unterdrücktem Nullpunkt herstellbar.
Gemäß Anspruch 2 ist die Eigenenergie einer herkömmlichen Rückstellfeder
zur Rückstellung des Zeigers bei Betriebsspannungsausfall durch die elektri
sche Energie eines Energiespeichers ersetzt. Als Bestandteil einer elektroni
schen Schaltung des Anzeigeinstruments ist der Energiespeicher bei vorhan
dener Betriebsspannung ständig geladen und gewährleistet die Notstromver
sorgung der zur Zurückstellung des Zeigers erforderlichen elektronischen Bau
teile bei Ausfall der Betriebsspannung.
Die maximal mögliche Winkelgeschwindigkeit des Schrittmotors und die maxi
mal mögliche Entfernung des Zeigers von der Referenzposition bestimmen die
Zeit, in der der Energiespeicher die für den Schrittmotor und der ihn steuernden
Elektronik notwendige Energie zur Verfügung stellen muß.
Nach Anspruch 3 ist eine möglichst kleine Bauform des Energiespeichern be
rücksichtigt. Ein derartiger Energiespeicher ist in einfacher Weise innerhalb der
die Steuereinrichtung enthaltenden elektronischen Schaltung integrierbar. Der
artige Energiespeicher sind preisgünstig und in einer Vielzahl erhältlich.
Der Kondensator ist z. B. ein Golddraht-Kondensator oder ein Elektrolyt-Kon
densator. Im Gegensatz zu anderen Energiespeichern ist eine hohe Zahl von
Lade- und Entladezyklen sowie eine über die Betriebsdauer konstante Kapa
zität gewährleistet. Ein als Kondensator ausgebildeter Energiespeicher genügt
außerdem den Sicherheitsanforderungen des Anzeigeinstrumentes.
Eine Anpassung des Energiespeichers an den jeweils erforderlichen Energieinhalt
ist in einfacher Weise durch eine Reihen- oder Parallelschaltung einer
entsprechenden Anzahl von Kondensatoren möglich. Die Größe der erforderli
chen Kapazität ist vom Strombedarf des Schrittmotors und der ihn steuernden
Elektronik sowie der für den sicheren Betrieb der zu versorgenden elektroni
schen Bauteile notwendigen minimalen Betriebsspannung abhängig. Elektro
nische Bauteile für die 3,3 Volt-Technik sind hierbei bevorzugt einsetzbar.
Die Spannungsregeleinrichtung nach Anspruch 4 gewährleistet, daß die elek
tronischen Bauteile der Schaltung an eine konstante Versorgungsspannung
angeschlossen sind. Außerdem wird der Energiespeicher ständig auf maximaler
Ladung gehalten, so daß bei Betriebsspannungsausfall immer ausreichende
elektrische Energie zur Rückstellung des Zeigers vorhanden ist.
Anspruch 5 betrifft eine einfache Möglichkeit zur Überprüfung, ob die erforder
liche Betriebsspannung für das Anzeigeinstrument vorhanden ist. Durch Aus
wahl der Referenzspannung ist individuell festlegbar, welcher Spannungswert
der Betriebsspannung den Rückstellvorgang auslöst. Mittels der Referenz
spannung ist deshalb die Überwachungseinrichtung an elektronische Bauteile
mit unterschiedlichen Spannungspegel-Techniken anpaßbar.
Gemäß Anspruch 6 ist als weiteres elektronisches Bauteil für die Durchführung
des Rückstellvorgangs ein Referenzpositions-Detektor vorgesehen. Dies kann
z. B. eine IR-Reflexlichtschranke oder ein Hall-Sensor sein. Bei Einsatz der IR-
Reflexlichtschranke werden die grundsätzlich bekannten Zusammenhänge der
Opto-Elektronik dazu ausgenutzt, den Zeiger in seine Referenzposition zu
rückzustellen. Hierbei hat der Zeiger die zusätzliche Funktion als Abtastfeld für
den Detektor. Die opto-elektronischen Bauteile sind kostengünstig erhältlich
und ermöglichen eine sehr exakte Rückstellung des Zeigers.
Die Ansprüche 7 bis 13 betreffen konstruktive Ausgestaltungsformen des Zei
gers und der daran angeordneten Abtastfläche, um in technisch einfacher
Weise mit wenigen Bauteilen mit dem Detektor zusammenzuwirken.
Gemäß Anspruch 11 ist der Referenzpositions-Detektor technisch einfach auf
gebaut und ermöglicht eine einfache opto-elektronische Kopplung mit dem
Zeigerkragen.
Durch eine variable Flächeneinteilung nach Anspruch 12 ist in einfacher Weise
der maximal mögliche Drehwinkel des Zeigers und damit der Anzeigeumfang
der Anzeigeskala veränderbar.
Anspruch 13 ermöglicht eine sehr genaue Rückstellung des Zeigers. Durch
eine variable Anordnung des Übergangs in Umfangsrichtung des Zeigerkragens
ist eine veränderte Referenzposition unabhängig von der Anordnung des De
tektors möglich. Dadurch ist auch die Fertigung von Anzeigeinstrumenten mit
unterschiedlichen Referenzpositionen vereinfacht.
Anspruch 14 betrifft Verfahrensschritte zur Durchführung des Rückstellvor
gangs. Die erfindungsgemäße Kopplung der elektronischen und opto-elektro
nischen Bauteile ermöglicht die automatische Ablauffolge der einzelnen Ver
fahrensschritte und ermöglicht dadurch eine zuverlässige, exakte und schnelle
Rückstellung des Zeigers.
Der RESET-Eingang der Steuereinrichtung wird nach der Initialisierung des
Meßprogramms abgetrennt. Durch diese Abtrennung wird vermieden, daß bei
wieder unterschrittener Betriebsspannung am RESET-Eingang ein Signal an
steht, das die Steuereinrichtung anhalten und sämtliche Funktionsabläufe der
Steuereinrichtung abbrechen würde. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß
nach Detektion einer zu geringen Betriebsspannung die Rückstellung des Zei
gers ordnungsgemäß startet und durchgeführt wird.
Gemäß Anspruch 15 ist der Betriebsablauf des Anzeigeinstruments einschließ
lich des Rückstellvorgangs programmäßig gesteuert. Die programmäßige
Steuerung ist durch den Einsatz der ohnehin für die Steuerung des Schrittmo
tors notwendigen Steuereinrichtung problemlos möglich. Eine Änderung der
Programme hinsichtlich der meßaufgabenspezifischen Daten zur Kalibrierung
und Parametrierung des Anzeigeinstrumentes ist durch die Verwendung
löschbarer Speicherbausteine, wie z. B. EEPROM, EPROM problemlos möglich.
Somit ist ein und derselbe Instrumentenaufbau durch Austausch lediglich der
Anzeigeskala für eine Vielzahl unterschiedlichster Meßaufgaben einsetzbar.
Gleichzeitig bleibt der Abgleich des Zeigers ohne Änderung der Daten unab
hängig von mechanischen und klimatischen Einflüssen erhalten.
Anspruch 16 betrifft eine vorteilhafte Ausführungsform der den Schrittmotor
steuernden Steuereinrichtung. Die Digitaltechnik ermöglicht hierbei in einfacher
Weise die programmierte Steuerung des Schrittmotors. Mittels des Mikrokon
trollers werden die neuen Meßdaten mit den vorhergehenden Meßdaten ver
glichen. Der Schrittmotor wird nur angesteuert, wenn eine zwischen aufeinan
derfolgenden Meßdaten erfolgte Änderung berechnet wird. Dies senkt den
Stromverbrauch des Schrittmotors und somit des gesamten Anzeigeinstru
ments.
Mittels der Steuereinrichtung können Kennlinien von Sensoren für die Meß
werte linearisiert werden. Auch sind unterdrückte oder verschobene Nullpunkte
einfach realisierbar.
Der Mikrokontroller und der Motorkontroller können derart ausgeführt sein, daß
der Mikrokontroller die Gesamtheit des Bewegungsablaufs des Schrittmotors
einschließlich der Strompulsfolge zur Schrittmotorbewegung steuert und der
Motorkontroller nur als Leistungsteil mit den entsprechend strom- und span
nungsbelastbaren Transistoren wirkt. Die Intelligenz der Steuereinrichtung kann
aber auch derart aufgeteilt sein, daß der Motorkontroller abhängig von der
durch den Mikrokontroller vorgegebenen Drehstellung des Zeigers die Strom
pulsfolge zur Schrittmotorbewegung selbsttätig erzeugt und das Erreichen der
gewünschten Zeigerstellung überwacht. Dies entlastet den Mikrokontroller. Je
nach technischen Anforderungen an das Anzeigeinstrument ist die eine oder
die andere Lösung günstiger.
Der Erfindungsgegenstand wird anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild der elektronischen Schaltung zur Rückstellung eines
Zeigers,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines elektrischen Analog-Anzeigeinstruments
mit Blick auf die Anzeigeskala, den Zeiger und den Schrittmotor,
Fig. 3 eine Draufsicht der Anzeigeskala und des Zeigers,
Fig. 4 Programmteil zur Zeigerrückstellung nach Unterschreiten der mi
nimalen Betriebsspannung,
Fig. 5 Flußdiagramm zum Start des Meßprogramms.
In Fig. 1 sind schematisch die elektronischen und opto-elektronischen Bauteile
der Schaltung zum Betrieb eines elektrischen Analog-Anzeigeinstruments und
zur Rückstellung eines Zeigers 1 (Fig. 2) erkennbar. Eine Steuereinrichtung zur
Steuerung eines Schrittmotors 2 besteht im wesentlichen aus einem Mikrokon
troller (= µC) 3 und einem Motorkontroller 4.
An einem Betriebsspannungs-Eingang 5 des Anzeigeinstruments ist eine Be
triebsspannung UB angelegt. Eine Spannungsregeleinrichtung 6 ist mit ihrem
Reglereingang 7 an dem Betriebsspannungs-Eingang 5 angeschlossen. An
einem Reglerausgang 8 der Spannungsregeleinrichtung 6 steht bei ausrei
chender Betriebsspannung UB eine Versorgungsspannung VCC für den Mi
krokontroller 3 und den Motorkontroller 4 an. Ein mit seinem Plus-Pol an den
Reglerausgang 8 und mit seinem Minus-Pol an Masse angeschlossener Kon
densator 9 bildet den Energiespeicher für die elektronische Schaltung nach
Unterschreiten der minimalen Betriebsspannung UB.
Eine Überwachungseinrichtung 10 enthält einen Komparator 11, dessen Ein
gänge mit der Betriebsspannung UB und mit einer Referenzspannung URef
verbunden sind. Die Überwachungseinrichtung 10 überwacht die Betriebs
spannung UB auf Unterschreiten eines bestimmten Grenzwertes. Ein durch den
Ausgang des Komparators 11 gebildeter Komparator-Ausgang 12 der Über
wachungseinrichtung 10 ist mit einem Interrupt-Eingang NMI (= nicht mas
kierbarer Interrupt) und mit einem Rücksetz-Eingang RESET des Mikrokon
trollers 3 verbunden. Der Rücksetz-Eingang RESET ist nach erfolgreichem
Start eines im Mikrokontroller 3 abgelegten Meßprogramms (Fig. 5) zur Meß
wertaufnahme und -verarbeitung von dem Komparator-Ausgang 12 abge
trennt. Auf diese Weise wird nach nicht mehr ausreichend vorhandener
Betriebsspannung UB über den ständig mit dem Komparator-Ausgang 12
verbundenen Interrupt-Eingang NMI ausschließlich die Rückstellung des
Zeigers 1 auf eine vorbestimmte Referenzposition 23 (Fig. 3) gestartet.
Als Eingänge für die von den jeweiligen Sensoren gelieferten Meßsignale UM
stehen verschiedene, hier nicht dargestellte Signalaufbereitungsmodule zur
Verfügung. Sie können Bestandteil des Mikrokontrollers 3 oder auch separate
elektronische Bauteile sein. Sie formen die Meßsignale UM in für den Mikro
kontroller 3 verarbeitbare Signale um. Die Meßsignale werden mit den in einem
Speicher des Mikrokontrollers 3 abgelegten meßwerkspezifischen Daten korre
liert und stehen für die Ausgabe an den Schrittmotor 2 bereit. Ist ein neuer
Meßwert ermittelt worden, erhält der Schrittmotor 2 eine entsprechende
Stromimpulsfolge, um den an seiner Motorwelle 13 befestigten Zeiger 1 in eine
dem neuen Meßwert entsprechende Position an einer Anzeigeskala 14 zu
drehen. Die Winkelgeschwindigkeit des Zeigers 1 ist von der letzten und jetzt
gewünschten Position abhängig. Die hierfür erforderliche Schrittfolge des
Schrittmotors 2 wird durch das Meßprogramm errechnet. Bei der Zeigerbe
wegung werden die einzelnen Schritte des Schrittmotors intern mitgezählt.
Nach der erreichten Schrittzahl erfolgt eine interne Rückmeldung, daß die ge
wünschte Position des Zeigers 1 erreicht ist.
Bei Unterschreiten der minimalen Betriebsspannung UB zum Betrieb des An
zeigeinstruments steht am Komparator-Ausgang 12 ein Signal an, welches
über den Interrupt-Eingang NMI dem Mikrokontroller 3 gemeldet wird. Über
diesen Eingang wird direkt und ohne Zeitverzug in das laufende Meßprogramm
des Mikrokontrollers 3 eingegriffen und das zur Rückstellung des Zeigers 1 auf
die Referenzposition 23 nötige Programm (Fig. 4) ausgeführt. Die vollständige
Ausführung des Programms zur Zeigerrückstellung ist möglich, da der Ener
gieinhalt des Kondensators 9 entsprechend dem Energieverbrauch der zur
Rückstellung des Zeigers notwendigen elektronischen Bauteile sowie des
Schrittmotors selbst dimensioniert ist.
Die Motorwelle 13 des Schrittmotors 3 erstreckt sich in einer senkrecht zu einer
Skalenebene 15 verlaufenden Axialrichtung 16 (Fig. 2). Die Motorwelle 13 ist
mit einem Zeigerkragen 17 mechanisch verbunden. Er verlängert die Motor
welle 13 in Axialrichtung 16 und durchgreift die Anzeigeskala 14 in dessen zen
tralem Bereich. Der Zeigerkragen 17 ist als Zylinder ausgebildet. Die in Axial
richtung 16 verlängerten Längsachsen von Motorwelle 13 und Zeigerkragen 17
sind deckungsgleich. Der Durchmesser des Zeigerkragens 17 ist bedeutend
größer als der Durchmesser der Motorwelle 13. Die durch die Skalenebene 15
gebildete Anzeigeoberfläche ist die dem Schrittmotor 2 abgewandte Oberfläche
der Anzeigeskala 14. Auf dieser Seite übersteht der Zeigerkragen 17 mit einem
Überstand 18 die Anzeigeskala 14. Im Bereich dieses Überstands 18 trägt der
Zeigerkragen 17 ein Zeigerblatt 26. Der Zeigerkragen 17 und das Zeigerblatt 26
sind senkrecht zueinander angeordnet. Der Umfang des Zeigerkragens 17 ist
an seinem dem Schrittmotor 2 zugewandten Endbereich vollständig von einem
IR-Licht absorbierenden Flächensegment 19 und einem IR-Licht reflektieren
den Flächensegment 20 abgedeckt. In Umfangsrichtung des Zeigerkragens 17
ist das Flächensegment 20 sehr viel kleiner als das Flächensegment 19. Die
beiden Flächensegmente 19, 20 wirken mit einer IR-Reflexlichtschranke 21
zusammen, um den Zeiger 1 in seine vorbestimmte Referenzposition zu über
führen. Die Referenzposition des Zeigers 1 ist abhängig von der Lage des
Flächensegments 20 am Umfang des Zeigerkragens 17. Da das Flächenseg
ment 20 nicht beliebig klein ausgeführt werden kann, wird als Marke zur Detek
tion der Referenzposition 23 je nach Drehrichtung des Zeigerkragens 17 einer
der beiden scharfkantigen Übergänge 22 zwischen den beiden Flächenseg
menten 19, 20 definiert. Nach Detektion des Übergangs 22 erhält der Mikrokon
troller 3 von der IR-Reflexlichtschranke 21 ein Signal, um die Bewegung des
Schrittmotors 2 zu beenden. Da die Übergänge 22 an dem Zeigerkragen 17 frei
wählbar sind, ist auch die Positionierung der IR-Reflexlichtschranke 21 unab
hängig von der Position des Zeigers 1. Unabhängig von der Position der IR-
Reflexlichtschranke 21 kann die Referenzposition 23 der Anzeigeskala 14
durch einfache Lageänderung des Übergangs 22 verändert werden. So kann
die Referenzposition 23 durch Verschiebung des Übergangs 22 in Umfangs
richtung der Zeigerachse 17 beispielsweise auch einer den Zenith der Anzeige
skala 14 bildenden Mittelposition 24 entsprechen.
In Fig. 3 beträgt der Anzeigeumfang der Anzeigeskala 14 etwa 240°. Die maxi
male Winkelgeschwindigkeit und die maximal mögliche Entfernung von der
Referenzposition 23 bestimmen die Zeit, in der der Kondensator 9 die für den
Schrittmotor 2 und dessen Steuerelektronik notwendige Energie zur Zeiger
rückstellung zur Verfügung stellen muß.
Das zur Zeigerrückstellung vorgesehene Programm des Mikrokontrollers 3
sperrt alle weiteren möglichen Interrupts, insbesondere einen Watch-Dog-In
terrupt, um den Zeiger 1 ohne Zeitverzögerung in seine Referenzposition 23 zu
überführen. Sollte die IR-Reflexlichtschranke 21(= Nullpositionsdetektor) bis
zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet sein, wird sie nun eingeschaltet. Die Motor
welle 13 des Schrittmotors (= Motor) wird entgegen dem Uhrzeigersinn der
Anzeigeskala 14 in Richtung der Referenzposition 23 (= Nullposition) bewegt.
Der Richtungssinn des Schrittmotors 2 bei der Rückstellung des Zeigers 1 legt
fest, welcher Übergang 22 der Detektion der Referenzposition 23 dient. Der
Mikrokontroller 3 fragt den Signalzustand der IR-Reflexlichtschranke 21 ständig
ab. Erhält der Mikrokontroller 3 ein Detektionssignal der IR-Reflexlicht
schranke 21, so beendet der Mikrokontroller 3 die Bewegung des Schrittmo
tors 2. Daraufhin werden sämtliche Schaltungsfunktionen des Mikrokontrollers 3
und des Motorkontrollers 4 auf ihren Grundzustand wie nach anliegender Ver
sorgungsspannung VCC zurückgesetzt. Daraufhin wird der Rücksetz-Eingang
RESET des Mikrokontrollers 3 wieder mit dem Komparator-Ausgang 12
verbunden, damit bei wieder ausreichend vorhandener Betriebsspannung UB
das Meßprogramm (Fig. 5) mit der Initialisierung gestartet werden kann. Reicht
die Betriebsspannung UB wieder aus, wird der Rücksetz-Eingang RESET des
Mikrokontrollers 3 durch den Komparator-Ausgang 12 wieder freigegeben.
Diese Freigabe veranlaßt die Initialisierung des Mikrokontrollers 3 (Fig. 5). Nach
der Freigabe wird der Rücksetz-Eingang RESET wieder gesperrt, d. h. der
Rücksetz-Eingang ist vom Komparator-Ausgang 12 getrennt. Entsprechend
seinem Meßprogramm liest der Mikrokontroller 3 nun Meßsignale ein, wertet sie
aus und steuert den Schrittmotor 2 in die errechnete Position.
Bezugszeichenliste
1 Zeiger
2 Schrittmotor
3 Mikrokontroller (=µC)
4 Motorkontroller
5 Betriebsspannungs-Eingang
6 Spannungsregeleinrichtung
7 Reglereingang
8 Reglerausgang
9 Kondensator
10 Überwachungseinrichtung
11 Komparator
12 Komparator-Ausgang
13 Motorwelle
14 Anzeigeskala
15 Skalenebene
16 Axialrichtung
17 Zeigerkragen
18 Überstandsende
19 Flächensegment
20 Flächensegment
21 IR-Reflexlichtschranke
22 Übergang
23 Referenzposition
24 Mittelposition
25 Maximalposition
26 Zeigerblatt
UB Betriebsspannung
VCC Versorgungsspannung
NIMI Interrupt-Eingang
RESET Rücksetz-Eingang
UM Meßsignal
URef Referenzspannung
2 Schrittmotor
3 Mikrokontroller (=µC)
4 Motorkontroller
5 Betriebsspannungs-Eingang
6 Spannungsregeleinrichtung
7 Reglereingang
8 Reglerausgang
9 Kondensator
10 Überwachungseinrichtung
11 Komparator
12 Komparator-Ausgang
13 Motorwelle
14 Anzeigeskala
15 Skalenebene
16 Axialrichtung
17 Zeigerkragen
18 Überstandsende
19 Flächensegment
20 Flächensegment
21 IR-Reflexlichtschranke
22 Übergang
23 Referenzposition
24 Mittelposition
25 Maximalposition
26 Zeigerblatt
UB Betriebsspannung
VCC Versorgungsspannung
NIMI Interrupt-Eingang
RESET Rücksetz-Eingang
UM Meßsignal
URef Referenzspannung
Claims (17)
1. Elektrisches Analog-Anzeigeinstrument mit
- - einer Steuereinrichtung zur Aufnahme und Weiterverarbeitung von Meß werten [=Meßsignal (UM)] physikalischer Größen,
- - einem mit der Steuereinrichtung gekoppelten Schrittmotor (2) zur Positio
nierung eines Zeigers (1) in eine dem Meßwert [=Meßsignal (UM)] ent
sprechende Position an einer Anzeigeskala (14), wobei
- - der Zeiger bei Ausfall der Betriebsspannung (UB) auf eine vorbestimmte
Referenzposition (23) rückstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- - der Zeiger bei Ausfall der Betriebsspannung (UB) auf eine vorbestimmte
Referenzposition (23) rückstellbar ist,
daß der Zeiger (1) ausschließlich mit elektronischen Mitteln rückstellbar ist.
2. Anzeigeinstrument nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine die Steuereinrichtung enthaltende Schaltung einen verschleißfreien
Energiespeicher aufweist,
- - der zwischen einem Betriebsspannungs-Eingang (5) der Schaltung und Versorgungsspannungs-Eingängen (VCC) der Steuereinrichtung geschaltet ist und
- - dessen Energieinhalt bei Betriebsspannungsausfall zum Betrieb der Steuereinrichtung und des Schrittmotors (2) dient.
3. Anzeigeinstrument nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Energiespeicher ein hochkapazitiver Kondensator (9) ist.
4. Anzeigeinstrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Spannungsregeleinrichtung (6) als Bestandteil der Schaltung
- - mit ihrem Reglereingang (7) an den Betriebsspannungs-Eingang (5) des Anzeigeinstrumentes und
- - mit ihrem Reglerausgang (8) an den Energiespeicher angeschlossen ist.
5. Anzeigeinstrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Überwachungseinrichtung (10) als Bestandteil der Schaltung
- - an den Betriebsspannungs-Eingang (5) angeschlossen ist,
- - einen Komparator (11) zum Vergleich der Betriebsspannung (UB) mit einer Referenzspannung (URef) enthält und
- - bei zu unterschrittener Betriebsspannung (UB) über seinen Komparator- Ausgang (12) ein Interrupt-Signal an die Steuereinrichtung zur Auslösung des Rückstellvorgangs abgibt.
6. Anzeigeinstrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei ausgelöstem Rückstellvorgang
- - der Schrittmotor (2) den an ihm ortsfest fixierten Zeiger (1) unter Drehung um die Längsachse einer Motorwelle (13) in seine Referenzposition (23) rückstellt und
- - ein die Drehpositionen des Zeigers (1) abtastender Referenzpositions- Detektor das Erreichen der Referenzposition (23) signalisiert und den Stillstand des Schrittmotors (2) bewirkt.
7. Anzeigeinstrument nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Zeiger mit einem die als eine Skalenebene (15) von außen sichtbare Anzeigeoberfläche der Anzeigeskala (14) etwa senkrecht durchgreifenden und nach außen überstehenden Zeigerkragen (17) an der Motorwelle (13) fixiert ist,
- - daß am Überstand (18) des Zeigers (1) ein den Meßwert an der Skalenebene (15) anzeigendes Zeigerblatt (26) befestigt ist und
- - daß der Zeigerkragen (18) ein um die Längsachse der Motorwelle (13) rotierender Rotationskörper mit einer sich über seinen Umfang erstreckenden Abtastfläche zur Abtastung durch den Referenzpositions- Detektor ist.
8. Anzeigeinstrument nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastfläche der dem Überstand (18) abgewandte und von der
Anzeigeskala (14) nach außen abgedeckte Bereich der Umfangsfläche des
Zeigerkragens (17) ist.
9. Anzeigeinstrument nach Anspruch 7 oder 8,
gekennzeichnet durch
eine Zylinderform des Zeigerkragens (17) mit seiner Längsachse als
Rotationsachse.
10. Anzeigeinstrument nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastfläche in Umfangsrichtung des Zeigerkragens (17) in sich
geschlossen ist.
11. Anzeigeinstrument nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtastfläche
- - aus einem IR-Licht absorbierenden Flächensegment (19) und einem IR- Licht reflektierenden Flächensegment (20) besteht und
- - mit einer IR-Reflexlichtschranke (21) als Referenzpositions-Detektor zusammenwirkt.
12. Anzeigeinstrument nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Flächensegmente (19, 20) in Umfangsrichtung
- - unmittelbar nebeneinander liegen und
- - eine unterschiedliche Ausdehnung aufweisen.
13. Anzeigeinstrument nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß die beiden Flächensegmente durch einen scharfkantigen, senkrecht zur Umfangsrichtung verlaufenden Übergang (22) voneinander getrennt sind und
- - daß die Detektion des Übergangs (22) den Stillstand des Schrittmotors (2) bewirkt.
14. Verfahren zur Rückstellung des Zeigers eines elektrischen Analog-Anzeig
einstrumentes bei Betriebsspannungsausfall nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - bei Betriebsspannungsausfall empfängt ein Interrupt-Eingang (NMI) der Steuereinrichtung das Interrupt-Signal des Komparator-Ausganges (12),
- - alle weiteren Interrupts werden durch ein Programm der Steuereinrichtung gesperrt,
- - der gegebenenfalls abgeschaltete Referenzpositions-Detektor wird einge schaltet,
- - der Zeiger (1) wird mit maximaler Winkelgeschwindigkeit entgegen dem Uhrzeigersinn in Richtung der Referenzposition (23) gedreht,
- - die Drehposition des Zeigerkragens (17) wird vom Referenzpositions-De tektor abgefragt,
- - nach Detektion des scharfkantigen Übergangs (22) des Zeigerkragens (17) wird die Schrittmotorbewegung beendet und der Zeiger (1) befindet sich in der Referenzposition (23),
- - alle Funktionen der Steuereinrichtung werden auf ihren Grundzustand zurückgesetzt,
- - ein Rücksetz-Eingang (RESET) der Steuereinrichtung wird wieder mit dem Komparator-Ausgang (12) verbunden, damit die Steuereinrichtung bei wieder vorhandener Betriebsspannung (UB) mit einer erneuten Initialisierung eines Meßprogramms starten und nach erfolgter Initialisierung Meßwerte aufnehmen, weiterverarbeiten und über den Zeiger (1) anzeigen kann,
- - der Rücksetz-Eingang (RESET) wird nach erfolgter Initialisierung vom Komparator-Ausgang (12) abgetrennt.
15. Anzeigeinstrument nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verfahrensschritte durch ein Programm der Steuereinrichtung
gesteuert sind.
16. Anzeigeinstrument nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung im wesentlichen aus einem Mikrokontroller (3) und
einem Motorkontroller (4) besteht.
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