DE4431164A1 - Halbleiter-Impulsgenerator - Google Patents
Halbleiter-ImpulsgeneratorInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Volumenmeß
geräte für natürliches Gas und insbesondere auf einen Halbleiter-Impuls
generator, der mit einem Volumenmeßgerät für natürliches Gas zum
Erzeugen von Ausgangssignalen gekoppelt ist, die Mengen von Gasvolu
men darstellen, die durch das Volumenmeßgerät für natürliches Gas
gemessen worden sind.
Automatisches Ablesen oder Ablesen aus der Ferne des Meßgerätes für
natürliches Gas erfordert normalerweise die Akkumulation von elektri
schen Impulsen, die durch eine Vorrichtung erzeugt werden, die auf dem
Gasmeßgerät angeordnet ist und die eine mechanische Bewegung, im
allgemeinen die Drehung einer Welle, in elektrische Impulse übersetzt.
Jeder Impuls stellt eine Volumeneinheit von Gas dar. Eine zuverlässige
Benutzung einer Ansammlung von Gasvolumen erfordert eine zuverlässige
Erzeugung von elektrischen Impulsen durch die Vorrichtung, die auf dem
Gasmeßgerät angeordnet ist.
Wie erwähnt, verwendet die derzeitige Technologie hauptsächlich einen
Magneten, der auf einer Welle montiert ist und der, wenn er bewegt
oder rotiert wird, ein magnetisch empfindliches Reed-Relais aktiviert, das
eine elektrische Schaltung öffnet und schließt. Das Öffnen und Schließen
der Schaltung stellt die Impulsbedingungen dar; die durch die Ausrüstung
zum automatischen oder entfernten Ablesen akkumuliert werden.
Die Schalterbetätigung eines Reed-Schalters erfordert keine elektrische
Leistung zum Betrieb und nur eine minimale elektrische Leistung, um
seinen Betrieb zu erfassen. Dies minimiert die Erfordernisse nach elek
trischer Leistung der Vorrichtung zum entfernten oder automatischen
Ablesen und ist sehr wünschenswert da die Ausrüstung zum entfernten
oder automatischen Ablesen batteriebetrieben ist. Die einfache Schnitt
stelleneinrichtung und die geringen Leistungserfordernisse des Magnet- und
Reed-Schalters haben einen Zuwachs dieser Vorrichtungen ergeben,
die implementiert wurden, um elektrische Schalter-Schließimpulse bereit
zustellen, die spezifische Gasvolumenmengen darstellen, die darauffolgend
durch eine Ausrüstung zum entfernten oder automatischen Ablesen
akkumuliert werden.
Ansteigende Preise für natürliches Gas und andere Anforderungen für
eine erhöhte Meßgenauigkeit für Gasvolumen haben den Wunsch danach
geweckt, daß kleinere Gasvolumen pro Impuls dargestellt werden sollten.
Dies ergibt höhere Impulswiederholungsraten für die Reed-Schaltervor
richtung. Das Betreiben bei höheren Wiederholungsraten reduzierte die
Betriebslebensdauer der Reed-Schalterkomponenten und reduzierte die
Zuverlässigkeit der Systeme, die die derzeitige Reed-Schaltertechnologie
verwenden.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile des Standes der Tech
nik durch die Verwendung eines magnetischen Sensors, der ein Ausgangs
signal erzeugt, ohne elektrische Leistung zu benötigen. Er ist von einem
Typ, der in dem US-Patent 3,820,090 offenbart ist. Der magnetische
Sensor ist nahe einem Magnet angeordnet, der auf der Welle des Gas
meßgerätes montiert ist. Wenn die Welle und der Magnet rotieren, ver
anlassen Magnetflußwechsel den Sensor Spannungsimpulse zu erzeugen,
die 20 Mikrosekunden lang sind. Diese Impulse wären nicht direkt mit
der Eingabe existierender Ausrüstung zum automatischen oder entfernten
Meßgerätablesen kompatibel, da sie zu schmal sind. Um eine Schnitt
stelle für das Signal mit existierender Ausrüstung zum entfernten oder
automatischen Meßgerätablesen zu bilden, muß die Ausgabe von dem
Sensor modifiziert werden. Die Dauer des Ausgangssignales muß signifi
kant erhöht werden und das Signal muß gepuffert werden, um ein
Öffnen und Schließen der externen Schaltung darzustellen, die den
Impulsgeber mit der Ausrüstung zum entfernten oder automatischen
Meßgerätablesen verbindet. Demgemäß verwendet die vorliegende Erfin
dung eine Schaltung, die keine Ruheleistung konsumiert, um die Signal
modifikation durchzuführen. Schließlich funktioniert eine MOSFET-Vor
richtung als ein Schalterelement, um die externe Schaltung zu öffnen und
zu schließen. Keine elektrische Energiequelle außer dem magnetischen
Sensor ist erforderlich für die Erfindung, um die Signalmodifikation
auszuführen.
Demgemäß unterscheiden sich mehrere Gesichtspunkte der Erfindung von
anderen Versuchen das gleiche Problem zu lösen. Kritisch für die An
wendung ist ein Sensor; der ein Spannungssignal erzeugt. Andere Ver
suche verwendeten Sensoren, die elektrische Leistung konsumieren an
stelle sie zu erzeugen. Wieder andere Versuche verwenden einen Sensor,
der Leistung erzeugt, aber die Signalamplitude nimmt ab, wenn die
Wellengeschwindigkeit sich erhöht. Da die Anwendung das Erfassen der
Wellengeschwindigkeit über den ganzen Weg bis zu einem Stoppen
erfordert, verwendet die vorliegende Erfindung einen Sensor mit einer
Ausgabe, die für alle Wellengeschwindigkeiten geeignet ist, die für die
Anwendung nützlich sind. Wieder andere Versuche das Problem zu lösen
verwendeten aktive Vorrichtungen in der Schaltung, um das Sensoraus
gangssignal zu modifizieren. Diese aktiven Komponenten erfordern elek
trische Leistung, um zu arbeiten, und würden inakzeptabel für die hier
offenbarte Anwendung sein. Eine Vorrichtung des Standes der Technik,
die in einem Dokument mit dem Titel "Wiegand Effect Sensors and
Their Application in Manufacturing" von Joseph Pasqualucci, 1. August
1989, offenbart worden ist, offenbart solch eine Vorrichtung, die einen
Bipolar-Transistor verwendet. Der Bipolar-Transistor hat jedoch eine
niedrige Eingangsimpedanz, die die für diese Anwendung erforderliche
Ausgangsimpulsdauer verhindern würde.
Demgemäß ist es ein Merkmal der vorliegenden Erfindung einen Halblei
ter-Impulsgeber bereitzustellen, der einen getrennten magnetischen Sensor;
eine Schaltung, die keine Ruheleistung erfordert, um die Dauer des
Ausgangssignales des Sensors zu erhöhen, und einen ersten MOSFET-
Ausgangstransistor hat, der als ein Schalter wirkt und eine hohe Ein
gangsimpedanz hat, um die erhöhte Dauer des aktiven Ausgangssignales
zu erlauben.
Es ist ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, eine Halbleiter-
Impulsschaltung für ein Gasmeßgerät mit einer magnetischen empfindli
chen Vorrichtung und eine Schaltung bereitzustellen, die eine einfache
Schnittstelle zu existierender Ausrüstung bereitstellen wird, eine elek
trische Betriebsleistung erfordern wird und länger als existierende Vor
richtungen des Standes der Technik arbeiten wird.
Es noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen Sensor
bereitzustellen, der ein Spannungssignal erzeugt anstatt elektrische Lei
stung zu konsumieren.
Es ist auch ein Merkmal der vorliegenden Erfindung einen Sensor
bereitzustellen, der eine Wellengeschwindigkeit über den ganzen Weg bis
zu einem Stop erfaßt, und der eine Ausgabe hat, die für alle Wellenge
schwindigkeiten geeignet ist, die nützlich für die Ausrüstung zum automa
tischen Meßgerätablesen sind.
Es ist noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung einen
Ausgangs-Schließimpuls für jeden wechselnden Magnetflußzyklus bereitzu
stellen, der an den magnetischen Sensor angelegt wird.
Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß sie einen
sich bewegenden Magneten hat, der einen Magnetfluß einer Polarität an
einen magnetischen Sensor anlegt und dann einen Magnetfluß von ent
gegengesetzter Polarität an den gleichen Sensor beim Herstellen eines
vollständigen Zyklus anlegt.
Es ist noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der
Magnet rotiert wird, so daß seine schnellste Rotationsbewegung bei einer
bestimmten Anwendung nicht in Magnetflußwechseln auf dem magneti
schen Sensor resultiert, die häufiger als die minimale ausgegebene Schal
terschließdauer sind, die durch die bestimmte Anwendung erfordert ist.
Es ist auch ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß sie einen
magnetischen Sensor hat, der einen positiven Spannungsimpuls von 20
Mikrosekunden Dauer erzeugt, wenn er einem Magnetfluß mit einer
Polarität ausgesetzt ist, und einen ähnlichen negativen Spannungsimpuls,
wenn er einem Magnetfluß entgegengesetzter Polarität ausgesetzt ist.
Es ist ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der positive
Impuls mit Hilfe eines zweiten Anreicherungs-MOSFET geleitet wird, um
einen Kondensator zu laden und demgemäß die positive Spannung an
dem Gate-Anschluß des ersten Anreicherungs-MOSFET bereitzustellen,
der als ein Ausgangsschalter verwendet wird, um so solch eine Vor
richtung für eine Zeit einzuschalten die länger als 50 Millisekunden ist.
Es ist noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß der
negative Impuls des magnetischen Sensors mit Hilfe eines zweiten Anrei
cherungs-MOSFET zu dem zuvor geladenen Kondensator geleitet wird,
um so eine negative Spannung an den Gate-Anschluß des ersten Anrei
cherungs-MOSFET anzulegen, der als ein Ausgangsschalter verwendet
wird, und demgemäß solch eine Vorrichtung auszuschalten.
Es ist noch ein weiteres Merkmal der Erfindung, daß der Gate-Anschluß
des zweiten Anreicherungs-MOSFET der verwendet wird, um den negati
ven Impuls von dem magnetischen Sensor zu leiten, mit dem Drain-
Anschluß des ersten Anreicherungs-MOSFET verbunden ist, der als ein
Ausgangsschalter verwendet wird, und demgemäß mit dem positiven
Ausgangssignal, um so eine positive Rückkopplung auf den Betrieb des
Halbleiter-Impulsgebers zu bewirken.
Es ist auch ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß durch die
Verwendung von positiver Rückkopplung veranlaßt wird, daß das Ab
schalten des ersten Anreicherungs-MOSFET, der als ein Ausgangsschalter
verwendet wird, schnell und ohne Schwingungen auftritt.
Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Halbleiter-
Impulsgenerator, der einen Sensor zum Erfassen einer Änderung in dem
Magnetfeld und zum Erzeugen des elektrischen Ausgangsimpulses, ohne
daß er eine getrennte elektrische Energiequelle erfordert, und einen
ersten MOSFET-Schalter aufweist, der mit dem Sensor gekoppelt ist, um
eine geschlossene Schaltung mit den Impulsen zu bilden, die durch den
Sensor erzeugt worden sind, und um eine Datensammlungsschaltung zu
ermöglichen, die damit gekoppelt ist.
Die Erfindung weist auch eine Impulssteuerschaltung auf, die zwischen
dem Sensor und dem ersten MOSFET-Schalter gekoppelt ist, um den
elektrischen Ausgangsimpuls von dem Sensor zu empfangen und dessen
Dauer ausreichend zu erhöhen, um dessen Verwendung durch eine
Ausrüstung zum automatischen Meßgerätablesen zu erlauben. Der hierin
verwendete Sensor hat keine beweglichen Teile und die Impulssteuer
schaltung ist eine Halbleiterschaltung, die in der Lage ist, einen Impuls
mit einer Impulsbreite von 20 Mikrosekunden zu empfangen und einen
Ausgangsimpuls mit einer Länge zu erzeugen, die größer als 50 Millise
kunden ist. Der erste MOSFET-Schalter; der in der vorliegenden Erfin
dung verwendet wird, ist ein Anreicherungs-MOSFET, der nur mit dem
von dem Sensor erzeugten Impuls arbeitet, so daß er keine externe
Energiequelle erfordert.
Die Erfindung kann überall verwendet werden, wo ein Magnet mecha
nisch bewegt wird, um so einen magnetischen Reed-Schalter zu veranlas
sen, eine elektrische Schaltung zu öffnen und zu schließen, und wo solch
ein Öffnen und Schließen ein Eingangssignal für eine zugeordnete elek
trische Ausrüstung ist, so daß es spezifische physikalische Ereignisse
darstellt, die der Bewegung des Magnetes zugeordnet sind. Außerdem
kann anstelle eines Magneten und eines Sensor ein Impulswandler ver
wendet werden, um die Eingangsimpulse bereitzustellen.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden voll
ständiger offenbart, wenn sie in Verbindung mit der folgenden detaillier
ten Beschreibung der Zeichnungen genommen werden, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente darstellen, und in denen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer impulserzeugenden Schal
tung des Standes der Technik ist;
Fig. 2A ein Graph eines typischen positiven Impulses ist, der durch
den Sensor von Fig. 1 erzeugt worden ist;
Fig. 2B ein Graph eines typischen negativen Impulses ist, der durch
den Sensor von Fig. 1 erzeugt worden ist, wenn der Ma
gnetfluß auf dem Sensor von Fig. 1 umgekehrt ist;
Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm der vorliegenden Erfin
dung ist;
Fig. 4 ein elektrisches schematisches Diagramm der vorliegenden
Erfindung ist;
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, das die Verbindungen der Ausgabe
der vorliegenden Erfindung zu einer Datensammelschaltung
veranschaulicht, die im Stand der Technik existiert;
Fig. 6 ein Graph des Ausgangsimpulses des Halbleiter-Impulsgebers
ist, der den Schalterschließimpuls mit einer Dauer von
ungefähr 880 Millisekunden zeigt und mit einer Impulswie
derholungsrate von einem Impuls pro 10 Sekunden auftritt;
Fig. 7 ein Graph des Ausgangsimpulses des Halbleiter-Impulsgebers
ist, der den Schalterschließimpuls mit einer Dauer von 400
Millisekunden zeigt, und mit einer Impulswiederholungsrate
von ungefähr einem Impuls pro 800 Millisekunden auftritt;
und
Fig. 8 ein elektrisches schematisches Diagramm der neuen Erfin
dung mit einem Impulswandler als die Eingangssignalquelle
ist.
Die Terminologie "Halbleiter" besitzt einige Zweideutigkeit. Die Defini
tion, die im allgemeinen von der Gemeinschaft der elektrischen/elek
tronischen Ingenieure für Halbleiter akzeptiert ist, ist - eine Vorrichtung,
die aus halbleitenden Materialien hergestellt ist und durch die Prinzipien
der Quanten-Mechanik zusammen mit dem Transport von Ladung in
solchen Materialien arbeitet - eine Schaltung, die hauptsächlich aus
solchen Vorrichtungen besteht, kann auch als eine Halbleiter-Schaltung
betrachtet werden.
Eine weit verbreitete, aber weniger genaue Definition für Halbleiter kann
sein - elektrische Vorrichtungen und Schaltungen, die keine beweglichen
Teile haben -. Der bei dieser Erfindung verwendete Sensor hat keine
beweglichen Teile, aber ist nicht aus halbleitenden Materialien hergestellt.
Der Sensor wird hier gemäß der ersten obigen Definition nicht als
Halbleiter bezeichnet. Die gesamte Erfindung, die hauptsächlich aus
halbleitenden Vorrichtungen besteht und sich auch von dem gewöhnlich
praktizierten Stand der Technik, d. h. elektro-mechanischen Reed-Schal
tern, durch das Fehlen von beweglichen Teilen unterscheidet, wird hier
nach als ein Halbleiter-Impulsgeber beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Schaltungsdiagramm eines Impulsgenerators des Standes
der Technik, der einen Sensor 12 von dem Typ verwendet, der in der
vorliegenden Erfindung verwendet wird. Der Sensor ist im Stand der
Technik verfügbar und ist durch einen kaltarbeitenden Vicalloy-Draht von
0,01 Inch Durchmesser hergestellt. Vicalloy, ein ferromagnetisches Materi
al, besteht aus Eisen, Kobalt und Vanadium. Der Draht ist so geformt,
daß er einen Gradienten höherer Koerzitivität an der arbeitsgehärteten
Oberfläche zu einem niederer Koerzitivität an dem relativ weichen
Zentrum erzeugt. Die Koerzitivitätspegel werden identifiziert, wenn der
Draht durch den Durchmesser als zwei unterschiedliche Bereiche aufge
teilt wird, einer äußeren "Schale" und einem inneren "Kern". Magneti
sches Umschalten tritt in der Schale und dem Kern auf, wenn der Draht
in der Anwesenheit eines longitudinalen Magnetfeldzyklus ist. Die resul
tierende Hysterese-Schleife enthält große diskontinuierliche Sprünge, die
als Barkhausen-Diskontinuität bekannt sind, die aufgrund eines Polaritäts
umschaltens der Schale und des Kerns auftreten. Der Draht induziert
eine Spannung über die Sondenspule von ungefähr 20 Mikrosekunden
Dauer; wie in Fig. 2 veranschaulicht. Wenn das Magnetfeld umgedreht
wird, wird eine negative Spannung von der Sondenspule mit ungefähr 20
Mikrosekunden Dauer induziert, wie es in Fig. 2B veranschaulicht ist.
Die Amplitude der induzierten Spannung hängt von der Stärke des
Erregungsfeldes und der Orientierung ab. Der zum Bilden des Sensors
verwendete Draht ist im Stand der Technik als der "Wiegand Effekt-
Draht" bekannt. Der Impuls, der durch die Wellenform 28 in Fig. 2A
gezeigt ist, und der durch den Sensor 12 erzeugt wird, wird an die Basis
13 des Bipolar-Transistors 14 gekoppelt, der ein 2N2222 oder ein äquiva
lenter sein kann. Eine Spannungsquelle 16 ist über den Ladungswider
stand 18 an den Kollektor 20 des Transistors 14 gekoppelt und der
Emitter 22 des Transistors 14 ist an die Erde 24 gekoppelt. Die Ausgabe
von dem Kollektor 20 ist an die Anschlußquelle 26 gekoppelt.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des Halbleiter-Impulsgebers 30 der vor
liegenden Erfindung. Der Magnet 32 ist an die Welle oder den Rotor
des Gasmeßgerätes (nicht gezeigt) gekoppelt. Wenn die Welle und der
Magnet 32 rotieren, legt der sich bewegende Magnet einen Magnetfluß
von einer Polarität an den Sensor 34 an und legt dann einen Magnetfluß
von entgegengesetzter Polarität an den gleichen Sensor 34 im Verlaufe
eines vollständigen Zyklus an. Der magnetische Sensor 34 ist nahe dem
Magnet 32 angeordnet und die Magnetflußwechsel veranlassen den Sensor
34 die Spannungsimpulse zu erzeugen, wie sie in der Fig. 2A und
Fig. 2B veranschaulicht sind, die 20 Mikrosekunden Dauer haben. Ein
Ausgangsschließimpuls ist für jeden wechselnden Magnetflußzyklus bereit
gestellt, der an den magnetischen Sensor 34 angelegt wird. Der Magnet
32 rotiert so, daß die schnellste Rotationsbewegung bei einer bestimmten
Anwendung nicht häufiger in Magnetflußwechseln auf dem magnetischen
Sensor resultiert als die minimale Schließdauer des Ausgangsschalters, die
für die bestimmte Anwendung erforderlich ist.
Um eine Schnittstelle zu einer existierenden Ausrüstung zum entfernten
oder automatischen Meßgerätablesen zu bilden, muß die Ausgabe von
dem Sensor 34 modifiziert werden. Die Dauer des Ausgangssignales auf
Leitung 36 muß signifikant erhöht und die Impulsgeberschaltung 30 muß
gepuffert werden, um ein Öffnen und Schließen der externen Schaltung
darzustellen, die den Impulsgeber 30 mit der Ausrüstung 58 zum entfern
ten und automatischen Meßgerätablesen verbindet, die in Fig. 5 ver
anschaulicht ist.
In der vorliegenden Erfindung bilden Komponenten, die keine getrennte
Energiequelle benötigen, um zu arbeiten, eine Impulssteuerschaltung 38.
Diese Schaltung dient dazu, das Ausgangssignal auf Leitung 36 von dem
magnetischen Sensor 34 zu modifizieren. Das modifizierte Signal auf
Leitung 40 ist an eine Ausgabevorrichtung 44 gekoppelt, die als ein
Schalterelement funktioniert, um die externe Schaltung zu öffnen und zu
schließen. Keine elektrische Energiewelle außer dem Sensor ist für die
Schaltung 38 erforderlich, um die Signalmodifikation auszuführen.
Mehrere Gesichtspunkte der Erfindung sind unterschiedlich von anderen
Versuchen, das gleiche Problem zu lösen. Kritisch für die Anwendung ist
ein Sensor 34, der ein Spannungssignal auf Leitung 36 erzeugt. Andere
Versuche verwendeten Sensoren, die elektrische Leistung konsumieren
anstelle sie zu erzeugen. Diese Erfindung verwendet ein Sensor 34, der
ein Ausgangssignal erzeugt ohne eine getrennte elektrische Energiequelle
zu benötigen. Einige andere Versuche sind gemacht worden, um einen
Sensor zu verwenden, der Energie erzeugt, aber dessen Signalamplitude
sich verringert, wenn die Wellengeschwindigkeit sich erhöht. Da die
Anwendung das Erfassen der Wellengeschwindigkeit über den gesamten
Weg bis zum Stoppen erfordert, verwendet die vorliegende Erfindung
einen Sensor 34 mit einer Ausgabe auf Leitung 36, der für alle Wellen
geschwindigkeiten geeignet ist, die für die hier offenbarte Anwendung
nützlich sind. Wie bemerkt, haben andere Versuche das Problem zu
lösen aktive Vorrichtungen in der Schaltung zum Modifizieren des Sen
sorausgangssignales verwendet. Diese aktiven Komponenten erfordern
elektrische Energie, um zu arbeiten, und wären inakzeptabel für die
Anwendung. Das Beispiel des Standes der Technik in Fig. 1 erhöht
nicht die Dauer des aktiven Ausgangssignales noch verwendet es negative
Impulse, die durch den Sensor erzeugt werden. Im Unterschied dazu tut
dies die vorliegende Erfindung. Die Schaltung 38 empfängt das Signal
auf Leitung 36 von dem Sensor 34 und erhöht die Dauer des Impulses
auf mehr als 50 Millisekunden wie es in den Fig. 6 und 7 gesehen
werden kann. Der Impuls mit erhöhter Dauer ist auf Leitung 40 an eine
Ausgabevorrichtung 42 gekoppelt, die ein erster MOSFET 44 (siehe
Fig. 4) sein kann. Die Ausgabe des MOSFET 44 erscheint auf Leitung
46 und ist an eine Sammelvorrichtung 58 (siehe Fig. 5) gekoppelt. Die
Ausgabeleitung 48 dient als Signalrücklaufpfad zwischen der Sammelvor
richtung 58 und dem Halbleiter-Impulsgeber 30. Demgemäß, wie es in
Fig. 3 gesehen werden kann, da der Sensor 34 ein Spannungssignal von
adäquater Stärke erzeugt, um die Impulssteuerschaltung 38 und den
MOSFET 44 zu erzeugen, kann die impulsbildende Vorrichtung von
Fig. 3 an Stellen verwendet werden, wo keine externe Energie verfüg
bar ist.
Fig. 4 ist ein elektrisches schematisches Diagramm des Halbleiter-
Impulsgebers, der in Fig. 3 gezeigt ist. Der magnetische Sensor 34 ist
in Fig. 4 als eine Spule gezeigt. Die Impulssteuerschaltung 38 weist
einen Eingangslastwiderstand 31 auf, über den das Signal von dem
magnetischen Sensor entwickelt wird. Ein zweiter MOSFET 52 weist, wie
die meisten MOSFETs, eine interne Diode zwischen den Drain- und
Source-Anschlußklemmen auf, so daß Leitung auftreten wird, wenn der
Source-Anschluß positiv bezüglich dem Drain-Anschluß ist. Diese interne
Diode leitet den positiven Ausgangsimpuls 28, der durch einen magneti
schen Sensor 34 erzeugt wird, wenn der Magnet 32 sich dreht. Der so
geleitete positive Ausgangsimpuls dient dazu, den Kondensator 56 zu
laden.
Der so geladene Kondensator 56 spannt positiv den Gate-Anschluß des
ersten MOSFET 44 vor; wobei er ihn EIN schaltet. Der MOSFET 44
wirkt einfach als ein Schalter und wenn der Gate-Anschluß positiv
bezüglich dem Source-Anschluß gemacht ist, ist der Schalter in der EIN
oder geschlossenen Stellung, wobei er demgemäß die Ausgangsklemmen
auf den Leitungen 46 und 48 miteinander koppelt. Demgemäß wird,
wenn der Magnet 32 in Fig. 3 gedreht wird, ein negativer Impuls durch
den magnetischen Sensor 34 erzeugt werden, der ein vorbestimmtes
Gasvolumen darstellen kann, das durch die Gasmeßeinrichtung gemessen
worden ist. Der negative Impuls, der in Fig. 2B gezeigt ist, wird an
dem Gate-Anschluß des zweiten MOSFET 44 angelegt und schaltet ihn
"AUS", der Offen-Zustand.
Der Gate-Anschluß des zweiten MOSFET 52 ist an die positive Aus
gangsanschlußklemme 46 des ersten MOSFET 44 verbunden. Dies be
wirkt eine positive Rückkopplung, indem der ansteigenden Spannung an
dem Ausgang 46 an dem Ende des Ausgangsimpulses (66 von Fig. 6)
erlaubt wird, die Drain-Source-Leitung an dem zweiten MOSFET 52 zu
erhöhen, wodurch die Spannung an dem Gate-Anschluß des zweiten
MOSFET 44 abgesenkt wird. Dies macht die Tendenz zu oszillieren des
zweiten MOSFET 44 rückgängig, wenn die Magnetrotation sehr langsam
ist und die Temperaturen kalt sind. Bei allen Temperaturen ergibt diese
positive Rückkopplung eine schnellere Anstiegszeit am Ende des Schalter-
Schließ-Ausgangsimpulses.
Die Diode 54 dient der Funktion an dem Gate-Anschluß des ersten
MOSFET 44 den negativen "Rücksetz"-Impuls von dem magnetischen
Sensor 34 zu klammern, so daß er nicht mit dem nächsten positiven
"Setz"-Impuls von dem magnetischen Sensor 34 zusammenwirken wird,
wenn der Magnet schnell gedreht wird.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das den Hauptleiter-Impulsgeber 30 als ein
Block veranschaulicht, wobei seine Ausgänge auf den Leitungen 46 und
48 an eine entfernt angeordnete typische Datensammelvorrichtung 58
gekoppelt sind. Ein Inverter 60 ist durch eine Spannungsquelle 62 über
den Widerstand 64 vorgespannt. Das Schließen des ersten MOSFET-
Schalters 44 in dem Halbleiter-Impulsgeber 30 stellt einen Impuls über
den Inverter 60 zu der Datensammelausrüstung bereit, die wohlbekannt
im Stand der Technik ist und nicht im Detail gezeigt wird, zur Tabulie
rung und für Meßzwecke.
Wie zuvor bemerkt, veranschaulicht Fig. 6 den 20 Mikrosekunden-
Impuls in Fig. 2, dessen Dauer auf ungefähr 880 Millisekunden durch
die Schaltung 38, die in Fig. 4 gezeigt ist, erhöht worden ist. Die
Spannungsquelle 62, die in Fig. 5 gezeigt ist, hat 16 Volt für die
Beispiele von Fig. 5 und Fig. 6. Wenn der positive Impuls 28 von
dem magnetischen Sensor zuerst auftritt, verläuft er durch die interne
Diode des MOSFET 52 und lädt den Kondensator 56, wodurch der
MOSFET 44 EIN geschaltet wird und die Ausgabe auf Leitung 46, wie
in Fig. 6 gezeigt, erzeugt wird. Zu Beginn des Ausgangsimpulses, wie
bei 63 gezeigt, fällt die Spannung plötzlich auf Null ab, wenn der MOS-
FET 44 EIN schaltet und bleibt in diesem Zustand, wenn Ladung aus
dem Kondensator 56 leckt. Wenn genug Ladung den Kondensator 56
verlassen hat, um der Ausgangsspannung zu erlauben zu beginnen anzu
steigen, beschleunigt die positive Rückkopplung, die durch das Koppeln
der Ausgabe an den Gate-Anschluß des MOSFET 52 bereitgestellt wird,
das Ausschalten der Ausgabe, wie bei 66 von Fig. 6 gezeigt.
Fig. 6 ist ein Beispiel bei dem die Rotation des Magneten 32 langsam
ist und der Ausgabeimpuls beendet ist, bevor der magnetische Sensor
einen negativen Impuls erzeugt. In Fig. 7 ist die Rotation des Magne
ten 32 schneller mit einem positiven Impuls von dem magnetischen
Sensor; der ungefähr alle 800 Millisekunden auftritt. Es sei bemerkt, daß
die Ausgangsimpulsdauer auf ungefähr die Hälfte dieser Zeit verkürzt
worden ist, da der negative Impuls von dem magnetischen Sensor auf
getreten ist und zu dem Kondensator 56 durch den MOSFET 52 gelau
fen ist und ein schnelles Abschalten des Ausgangsimpulses, wie in 66 von
Fig. 7 gezeigt, bewirkt.
Obwohl das erste Ausführungsbeispiel ein Schließen des Halbleiter-Schal
ters in Antwort auf die Bewegung eines Magneten bereitstellt, ist ein
zweites Ausführungsbeispiel dieses Konzeptes auch möglich. Diese andere
Form der Erfindung stellt ein Schließen eines Halbleiter-Schalters in
Antwort auf eine Treiberausgabe von einer elektronischen Schaltung
bereit. Das zweite Ausführungsbeispiel erlaubt eine elektrische Isolierung
zwischen der Eingabe und der Ausgabe, benötigt eine extrem niedrige
Leistung, und ist billig verglichen mit traditionellen Lösungen, um das
gleiche zu tun. Wo das erste Ausführungsbeispiel ähnlich einem magne
tischen Reed-Schalter ist, ist das zweite Ausführungsbeispiel analog zu
einem Relais.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 gezeigt, wo
der Sensor durch einen kleinen Impulswandler 34 ersetzt ist. Der Ein
gang des Impulswandlers wird dann von einer Ausgabe einer elektroni
schen Schaltung betrieben. Wenn dieser Treiber eine Polarität für unge
fähr 30 Mikrosekunden hat, wird der Halbleiterschalter 44 für eine sehr
viel längere Dauer; ungefähr 30 Millisekunden, geschlossen. Wenn aufein
anderfolgende Treiberimpulse der gleichen Polarität angelegt werden,
dann kann die Ausgabe des Schalters 44 fortfahren, länger als 30 Millise
kunden geschlossen zu bleiben. Der Schalter 44 in dem geschlossenen
Zustand kann zu jedem Zeitpunkt durch einen Treiberimpuls von 30
Mikrosekunden der entgegengesetzten Polarität geöffnet werden. Auf
diese Weise kann das Schalterschließen für jede gewünschte Dauer
gemacht werden.
Demgemäß ist eine Halbleiter-Impulsgeberschaltung offenbart worden, die
einen magnetischen Sensor; eine Schaltung zum Erhöhen der Dauer der
positiven Impulse, die durch den magnetischen Sensor erzeugt werden,
und zumindest einen MOSFET-Ausgangstransistor aufweist. Der magneti
sche Sensor ist nahe einem Magneten angeordnet, der auf die Welle der
Gasmeßvorrichtung montiert ist. Wenn die Welle und der Magnet sich
drehen, verursachen Magnetflußwechsel, daß der Sensor Spannungsimpulse
von 20 Mikrosekunden Länge erzeugt. Diese Impulse wären nicht direkt
kompatibel mit der Eingabe einer existierenden Ausrüstung zum entfern
ten oder automatischen Meßgerätablesen.
Um eine Schnittstelle zu einer existierenden Ausrüstung zum entfernten
oder automatischen Meßgerätablesen zu bilden, muß die Ausgabe von
dem Sensor modifiziert werden. Die Dauer des Ausgangssignales muß
signifikant erhöht werden und das Signal muß gepuffert werden, um ein
Öffnen und Schließen der externen Schaltung darzustellen, die den
Impulsgeber mit der Ausrüstung zum entfernten oder automatischen
Meßgerätablesen verbindet. In der Erfindung werden Komponenten
verwendet, die keine getrennte Energiequelle benötigen, um die Signal
modifikation durchzuführen. Eine MOSFET-Vorrichtung funktioniert als
ein Schaltelement, um die externe Schaltung zu öffnen und zu schließen.
Keine elektrische Energie wird von dieser Erfindung benötigt, um die
Signalmodifikation auszuführen. Die vorliegende Anwendung verwendet
einen Sensor; der eine Wellengeschwindigkeit von voller Geschwindigkeit
bis zu keiner Rotation erfaßt. Demgemäß hat der Sensor eine Ausgabe,
die für alle Wellengeschwindigkeiten geeignet ist, die für diese Anwen
dung nützlich sind.
Während die Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiel beschrieben worden ist, ist es nicht beabsichtigt den Bereich
der Erfindung auf die besondere beschriebene Form zu beschränken,
sondern im Gegenteil, es ist beabsichtigt solche Alternativen, Modifikatio
nen und Äquivalente abzudecken, die in dem Geist und dem Bereich
der Erfindung umfaßt sind, wie er durch die beigefügten Ansprüchen
definiert ist.
Claims (17)
1. Halbleiter-Impulsgenerator zum Ermöglichen einer Datensammel
schaltung, der aufweist:
einen Sensor zum Erfassen einer Änderung in einem Magnetfeld und zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangsimpulses; und
einen ersten MOSFET-Schalter; der an den Sensor gekoppelt ist und Ausgangsklemmen hat, um eine geschlossene Schaltung zwischen den Ausgangsklemmen nur dann zu bilden, wenn der Impuls, der durch den Sensor erzeugt wird, empfangen wird, wobei die geschlossene Schaltung zwischen den Ausgangsklemmen, die daran gekoppelte Datensammelschaltung ermöglicht.
einen Sensor zum Erfassen einer Änderung in einem Magnetfeld und zum Erzeugen eines elektrischen Ausgangsimpulses; und
einen ersten MOSFET-Schalter; der an den Sensor gekoppelt ist und Ausgangsklemmen hat, um eine geschlossene Schaltung zwischen den Ausgangsklemmen nur dann zu bilden, wenn der Impuls, der durch den Sensor erzeugt wird, empfangen wird, wobei die geschlossene Schaltung zwischen den Ausgangsklemmen, die daran gekoppelte Datensammelschaltung ermöglicht.
2. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, der weiter eine Im
pulssteuerschaltung aufweist, die zwischen dem Sensor und dem
ersten MOSFET-Schalter gekoppelt ist.
3. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor
keine beweglichen Teile hat.
4. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 3, wobei der Sensor in
der Lage ist bipolare Ausgangsimpulse von 20 Mikrosekunden zu
erzeugen.
5. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 2, wobei die Impuls
steuerschaltung eine Halbleiter-Schaltung ist, die in der Lage ist,
einen Impuls zu empfangen, der eine Impulsbreite von 20 Mikrose
kunden hat, und einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der eine Länge
hat, die größer als 50 Millisekunden ist.
6. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, wobei der erste
MOSFET-Schalter ein Anreicherungs-MOSFET ist.
7. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 6, wobei der erste
MOSFET-Schalter nur mit dem von dem Sensor erzeugten Impuls
arbeitet, so daß er keine externe Energiequelle benötigt, die an den
Schalter gekoppelt ist.
8. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 6, wobei die Impuls
steuerschaltung aufweist:
einen Lastwiderstand, der parallel zu dem Sensor gekoppelt ist;
einen zweiten MOSFET, der an die Verbindung des Sensors und des Lastwiderstandes gekoppelt ist, um Impulse von dem Sensor durchzugeben;
einen Kondensator; der zwischen dem zweiten MOSFET und dem ersten MOSFET-Schalter und der Erde gekoppelt ist, so daß der Kondensator durch einen Impuls geladen wird, der daran durch den zweiten MOSFET angelegt wird; und
der Gate-Anschluß des ersten MOSFET-Schalters so an den Kon densator gekoppelt ist, daß, wenn der Kondensator sich auflädt, der erste MOSFET-Schalter EIN geschaltet wird.
einen Lastwiderstand, der parallel zu dem Sensor gekoppelt ist;
einen zweiten MOSFET, der an die Verbindung des Sensors und des Lastwiderstandes gekoppelt ist, um Impulse von dem Sensor durchzugeben;
einen Kondensator; der zwischen dem zweiten MOSFET und dem ersten MOSFET-Schalter und der Erde gekoppelt ist, so daß der Kondensator durch einen Impuls geladen wird, der daran durch den zweiten MOSFET angelegt wird; und
der Gate-Anschluß des ersten MOSFET-Schalters so an den Kon densator gekoppelt ist, daß, wenn der Kondensator sich auflädt, der erste MOSFET-Schalter EIN geschaltet wird.
9. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 8, wobei der Sensor
sowohl positive als auch negative Impulse erzeugt; und wobei der
zweite MOSFET sowohl die positiven als auch die negativen Impulse
leitet, wobei der positive Impuls den Kondensator auflädt, um den
ersten MOSFET EIN zu schalten und wobei der negative Impuls
den Kondensator entlädt, um den ersten MOSFET AUS zu schalten.
10. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 9, wobei der Sensor die
positiven und negativen Impulse in Antwort auf einen rotierenden
Magneten erzeugt.
11. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 10, der weiterhin ein
positives Kopplungssignal aufweist, das von einer Ausgangsklemme
des ersten MOSFET an den Gate-Anschluß des zweiten MOSFET
gekoppelt ist, um ein abruptes Ausschalten des ersten MOSFET zu
verursachen, weil sich der Kondensator langsam entlädt, wenn der
Magnet sich langsam dreht.
12. Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor ein
Impulswandler zum Empfangen eines Eingangsimpulses und zum
Erzeugen eines Ausgangsimpulses ist.
13. Verfahren zum Erzeugen von Impulsen für eine Datensammelschal
tung, wobei die Impulse eine Ausgabe eines Gasvolumens des Gerä
tes darstellen, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Erfassen einer Änderung in einem Magnetfeld, die durch die Rota tion eines Magneten in Antwort auf einen Gasfluß in dem Gasmeß gerät mit einem Sensor erzeugt worden ist, und Erzeugen eines elektrischen Ausgangsimpulses; und
Koppeln des Ausgangsimpulses an einen MOSFET-Schalter; der Ausgangsklemmen zum Bilden einer geschlossenen Schaltung zwi schen den Ausgangsklemmen hat, wenn der Impuls erzeugt wird, um eine Datensammelschaltung, die zwischen die Ausgangsklemmen gekoppelt ist, zu ermöglichen.
Erfassen einer Änderung in einem Magnetfeld, die durch die Rota tion eines Magneten in Antwort auf einen Gasfluß in dem Gasmeß gerät mit einem Sensor erzeugt worden ist, und Erzeugen eines elektrischen Ausgangsimpulses; und
Koppeln des Ausgangsimpulses an einen MOSFET-Schalter; der Ausgangsklemmen zum Bilden einer geschlossenen Schaltung zwi schen den Ausgangsklemmen hat, wenn der Impuls erzeugt wird, um eine Datensammelschaltung, die zwischen die Ausgangsklemmen gekoppelt ist, zu ermöglichen.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiterhin den Schritt des Kop
pelns einer Impulssteuerschaltung zwischen dem Sensor und dem
MOSFET-Schalter aufweist, um die Zeitdauer des Ausgangsimpulses
auf zumindest 50 Millisekunden zu erhöhen.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Schritt des Erzeugens
eines elektrischen Ausgangsimpulses weiter den Schritt des Erzeugens
von bipolaren Ausgangsimpulsen von 20 Mikrosekunden mit dem
Sensor aufweist.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin die Schritte aufweist:
Verwenden einer Spule als Sensor; und
Erzeugen eines Impulses in der Spule durch einen rotierenden Magneten.
Verwenden einer Spule als Sensor; und
Erzeugen eines Impulses in der Spule durch einen rotierenden Magneten.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin die Schritte aufweist:
Verwenden eines Impulswandlers auf dem Sensor;
Koppeln des Eingangs des Impulswandlers an eine elektrische Schal tung; und
Koppeln der Ausgabe des Impulswandlers an die Impulssteuerschal tung.
Verwenden eines Impulswandlers auf dem Sensor;
Koppeln des Eingangs des Impulswandlers an eine elektrische Schal tung; und
Koppeln der Ausgabe des Impulswandlers an die Impulssteuerschal tung.
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Owner name: DRESSER,INC.(N.D.GES.D.STAATES DELAWARE), ADDISON, |
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R071 | Expiry of right |