DE4431164C2 - Halbleiter-Impulsgenerator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiter-Impulsgenerator und ein Verfahren zum Erzeugen von Impulsen gemäß dem Oberbegriff der An­ sprüche 1 und 13.

Ein derartiger Halbleiter-Impulsgenerator ist mit einem Volumenmeßgerät für natürliches Gas zum Erzeugen von Ausgangssignalen gekoppelt. Diese Ausgangssignale stellen die Mengen von Gasvolumen dar, die durch das Volumenmeßgerät für natürliches Gas gemessen worden sind.

Aus der Druckschrift DE 29 22 251 A1 ist ein Impulsgenerator bekannt, der die von einem rotierenden Magneten in einer Spule erzeugten positiven und negativen Impulse mittels eines Gleichrichterblocks in einheitliche positi­ ve Impulse gleicher Dauer und Kontur umwandelt, die dann einem CMOS- Zählerblock zur Verfügung gestellt werden.

Aus der Druckschrift DE 21 05 357 B2 ist ein Schalter bekannt, der einen Kondensator durch eine Photozelle einseitig erden soll, um einem Aus­ gangsverstärker immer das gleiche Nullpunktpotential anzubieten, wenn ein Ventil die Strömung durch ein Rohr absperrt, so daß sich die Nullpunktver­ schiebungen einer Meßzelle bei einer Durchflußmessung durch das Rohr nicht aufaddieren.

Aus den Druckschriften DE 24 50 921 C3 und DE 26 08 265 C2 sind Schaltungen mit einer Vielzahl passiver und aktiver Elemente bekannt, die mit hohem Energieaufwand Impulse mit unterschiedlicher Impulsdauer erzeu­ gen.

Ein automatisches Ablesen oder ein 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 all­ gemeinen die Drehung einer Welle, in elektrische Impulse übersetzt, wie es aus der Druckschrift DE 30 14 783 C2 bekannt ist. Jeder Impuls stellt eine Volumeneinheit eines Gases dar. Eine zuverlässige Benutzung einer Ansamm­ lung 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, wie er aus der DE 29 22 251 A1 bekannt ist, der auf einer Welle montiert ist und der, wenn er bewegt oder rotiert wird, einen magne­ tisch empfindlichen Schalter aktiviert. Das Öffnen und Schließen des Schal­ ters stellt die Impulsbedingungen dar, die durch die Ausrüstung zum auto­ matischen oder entfernten Ablesen akkumuliert werden.

Die Schalterbetätigung, beispielsweise durch einen Reed-Relais-Schalter, erfordert keine elektrische Leistung zum Betrieb und nur eine minimale elektrische Leistung, um seinen Betrieb zu erfassen. Dies minimiert die Erfordernisse nach elektrischer Leistung der Vorrichtung zum entfernten oder automatischen Ablesen und ist sehr wünschenswert da die Ausrüstung zum entfernten oder automatischen Ablesen batteriebetrieben ist. Die einfache Schnittstelleneinrichtung und die geringen Leistungserfordernisse des Magnet- und Reed-Relais-Schalters haben einen Zuwachs dieser Vorrichtungen erge­ ben, die implementiert wurden, um elektrische Schalter-Schließimpulse bereit­ zustellen, die spezifische Gasvolumenmengen darstellen, die darauffolgend durch eine Ausrüstung zum entfernten oder automatischen Ablesen akkumu­ liert 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-Schaltervorrichtung. Das Betreiben bei höheren Wiederholungsraten reduzierte die Betriebslebensdauer der Reed-Schalterkomponenten und reduzierte die Zuverlässigkeit der Syste­ me, die die derzeitige Reed-Schaltertechnologie verwenden.

Ein magnetischer Sensor nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 13 erzeugt ein Ausgangssignal, ohne elektrische Leistung zu benötigen und ist aus dem US-Patent 3,820,090 bekannt. Der magnetische Sensor ist nahe einem Magnet angeordnet, der auf der Welle des Gasmeßgerätes montiert ist. Wenn die Welle und der Magnet rotieren, veranlassen Magnetflußwech­ sel den Sensor Spannungsimpulse zu erzeugen, die 20 Mikrosekunden lang sind. Diese Impulse wären nicht direkt mit der Eingabe existierender Aus­ rüstung zum automatischen oder entfernten Meßgerätablesen kompatibel, da sie zu schmal sind. Um eine Schnittstelle 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 signifikant erhöht werden und das Signal muß gepuf­ fert werden, um ein Öffnen und Schließen der externen Schaltung darzustel­ len, die den Impulsgeber mit der Ausrüstung zum entfernten oder automati­ schen Meßgerätablesen verbindet.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Halbleiter-Impulsgenerator und ein Verfahren zum Erzeugen von Impulsen gemäß dem Oberbegriff der An­ sprüche 1 und 13 zu schaffen, welche die Dauer von Ausgangsimpulsen eines Sensors in Abhängigkeit derjenigen Frequenz erhöhen, mit welcher vom Sensor zu erfassende Ereignisse auftreten und welche die Zuverlässig­ keit bisheriger Systeme erhöht und den Energiebedarf vermindert.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 13 gelöst.

Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, einen ersten Impuls (z. B. den positiven Impuls) zum Aktivieren eines Zählers bzw. einer Datensammel­ schaltung zu verwenden und den zweiten entgegengesetzt gerichteten Impuls zum Deaktivieren dieses Zählers einzusetzen.

Der erfindungsgemäße Halbleiter-Impulsgenerator gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, daß er einerseits bei relativ niedrigen Frequenzen der vom Sensor zu erfassenden Ereignisse unabhängig von diesen Frequenzen die Ausgangsimpulsdauer erhöht, während er andererseits abhängig von Frequen­ zen bei relativ hohen Frequenzen der zu erfassenden Ereignisse die Aus­ gangsimpulsdauer erhöht. Damit wird ein flexibler und somit praktischen Bedürfnissen gerecht werdender Betrieb ermöglicht.

Ferner verwendet die Erfindung eine Schaltung, die keine Ruheleistung konsumiert, um die Signalmodifikation durchzuführen. Schließlich wird eine MOSFET-Vorrichtung als ein Schalterelement eingesetzt, um den externen Schalter zu öffnen und zu schließen. Keine elektrische Energiequelle außer dem magnetischen Sensor ist für die Erfindung erforderlich, um die Signal­ modifikation auszuführen.

Demgemäß unterscheiden sich mehrere Gesichtspunkte der Erfindung von anderen Versuchen das gleiche Problem zu lösen. Kritisch für die Anwen­ dung ist ein Sensor, der ein Spannungssignal erzeugt. Andere Versuche verwendeten Sensoren, die elektrische Leistung konsumieren anstelle 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 Wellengeschwindig­ keiten geeignet ist, die für die Anwendung nützlich sind. Wieder andere Versuche das Problem zu lösen verwendeten aktive Vorrichtungen in der Schaltung, um das Sensorausgangs­ signal zu modifizieren. Diese aktiven Komponenten erfordern elektrische 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 Halbleiter- Impulsgeber bereitzustellen, der einen getrennten magnetischen Sensor, eine Schaltung, die keine Ruheleistung erfordert, um die Dauer des Ausgangs­ signales des Sensors zu erhöhen, und einen ersten MOSFET-Ausgangstransi­ stor hat, der als ein Schalter wirkt und eine hohe Eingangsimpedanz 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 empfindlichen Vorrichtung und eine Schaltung bereitzustellen, die eine einfache Schnittstelle zu existierender Ausrüstung bereitstellen wird, eine elektrische Betriebslei­ stung erfordern wird und länger als existierende Vorrichtungen des Standes der Technik arbeiten wird.

Es ist noch ein anderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, der ein Spannungssignal erzeugt anstatt elektrische Leistung 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 (19)

1. Halbleiter-Impulsgenerator zum Erzeugen von Impulsen für eine Daten­ sammelschaltung mit
einem Sensor (34) zum sequentiellen Erzeugen von positiven und negati­ ven elektrischen Ausgangssignalen; gekennzeichnet durch
einen ersten gesteuerten Schalter (44), der mit dem Sensor (34) gekop­ pelt ist und Ausgangsanschlüsse (46, 48) aufweist und der bei Empfang eines der beiden positiven oder negativen Impulse, die durch den Sensor (34) erzeugt werden, einen geschlossenen Schaltungszustand zwischen den Ausgangsanschlüssen (46, 48) bildet, wobei der geschlos­ sene Schaltungszustand zwischen den Ausgangsanschlüssen (46, 48) die damit verbundene Datensammelschaltung aktiviert;
einen zweiten gesteuerten Schalter (52), der zwischen dem Sensor (34) und dem ersten gesteuerten Schalter (44) angeschlossen ist; und
eine Spannungsrückkopplungsschaltung, die zwischen dem ersten gesteu­ erten Schalter (44) und dem zweiten gesteuerten Schalter (52) ange­ schlossen ist, wobei entweder die Spannungsrückkopplung und/oder der andere der beiden positiven oder negativen Impulse verwendet wird, um die Geschwindigkeit des Deaktivierens der Datensammelschaltung zu erhöhen.

2. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Impulssteuerschaltung (38), die zwischen dem Sensor (34) und dem ersten gesteuerten Schalter (44) gekoppelt ist und die den zweiten gesteuerten Schalter (52) enthält.

3. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (34) keine beweglichen Teile hat.

4. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (34) in der Lage ist, bipolare Ausgangsimpulse von 20 Mikrosekunden zu erzeugen.

5. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssteuerschaltung (38) eine Halbleiterschaltung ist, die in der Lage ist, einen Impuls zu empfangen, der eine Impulsbreite von 20 Mikrosekunden, und einen Ausgangsimpuls zu erzeugen, der eine Länge hat, die größer als 50 Millisekunden ist.

6. Halbleiter-Impulsgenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gesteuerte Schalter (44) ein Anreicherung-MOSFET ist.

7. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gesteuerte Schalter (44) nur mit von dem Sensor (34) erzeugten Impulsen arbeitet, so daß er keine externe Energiequelle benötigt, die an den Schalter (44) anzuschließen ist.

8. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulssteuerschaltung (38) aufweist:
einen Lastwiderstand (31), der parallel zu dem Sensor (34) angeschlos­ sen ist;
einen zweiten MOSFET als zweiten gesteuerten Schalter (52), wobei der zweite MOSFET-Schalter (52) an den Verbindungspunkt des Sensors (34) und des Lastwiderstands (31) angeschlossen ist, um Impulse von dem Sensor (34) zu dem ersten MOSFET-Schalter (44) zu führen;
einen Kondensator (56), der zwischen dem zweiten MOSFET-Schalter (52) und dem ersten MOSFET-Schalter (44) und Erde angeschlossen ist, so daß der Kondensator (56) durch einen Impuls geladen wird, der durch den zweiten MOSFET-Schalter (52) daran angelegt wird; und
wobei der Gateanschluß des ersten MOSFET-Schalters (44) so an den Kondensator (56) angeschlossen ist, daß der erste MOSFET-Schalter (44) eingeschaltet wird, wenn der Kondensator (56) sich auflädt.

9. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (34) sowohl positive als auch negative Impulse erzeugt; und daß der zweite MOSFET-Schalter (52) sowohl die positiven als auch die negativen Impulse, die von dem Sensor (34) erzeugt werden, leitet, wobei ein positiver Impuls den Kondensator (56) auflädt, um den ersten MOSFET-Schalter (44) einzuschalten und wobei ein negativer Impuls den Kondensator (56) entlädt, um den ersten MOSFET-Schalter (44) auszuschalten.

10. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor die positiven und negativen Impulse durch Erfassen einer Änderung in dem Magnetfeld eines rotierenden Magneten erzeugt.

11. Halbleiter-Impulsgenerator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein positives Rückkopplungssignal erzeugbar ist, das von einem Ausgangsanschluß (46) des ersten MOSFET-Schalters (44) an den Gateanschluß des zweiten MOSFET-Schalters (52) gelegt wird, um ein abruptes Ausschalten des ersten MOSFET-Schalters (44) durch schnelle Entladung des Kondensators (56) über den zweiten MOSFET-Schalter (52) bei beliebigem Drehen des Magneten zu bewirken.

12. Halbleiter-Impulsgenerator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (54) ein Impulswandler zum Empfangen eines Eingangsimpulses und zum Erzeugen eines Ausgangs­ impulses ist.

13. Verfahren zum Erzeugen von Impulsen für eine Datensammelschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse eine Ausgabe eines Gasvolu­ men-Meßgerätes darstellen und wobei:
eine Änderung in einem Magnetfeld, die durch die Rotation eines Magneten in Antwort auf einen Gasfluß in dem Gasmeßgerät erzeugt wird, mittels eines Sensors (34), der sequentiell positive und negative elektrische Ausgangsimpulse erzeugt, erfaßt wird; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Anlegen eines der beiden Ausgangsimpulse an einen ersten gesteuerten Schalter (44), der Ausgangsanschlüsse (46, 48) aufweist, wobei der Aus­ gangsimpuls einen geschlossenen Schaltungszustand zwischen den Aus­ gangsanschlüssen (46, 48) bildet, der eine Datensammelschaltung, die mit den Ausgangsanschlüssen (46, 48) ver­ bunden ist, aktiviert;
Anordnen eines zweiten gesteuerten Schalters (52) zwischen dem Sensor (34) und dem ersten gesteuerten Schalter (44);
Koppeln einer Spannungsrückkopplung von dem ersten gesteuerten Schalter (44) zu dem zweiten gesteuerten Schalter (52); und
Verwenden der Spannungsrückkopplung und/oder des anderen der beiden positiven oder negative Ausgangsimpulse, um eine Vorspannung an dem zweiten gesteuerten Schalter (52) zu legen und um die Geschwindigkeit zum Deaktivieren der Datensammelschaltung zu erhöhen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch einen Schritt des Koppelns der Impulssteuerschaltung (38) einschließlich eines zweiten gesteuerten Schalters (52) zwischen dem Sensor (34) und dem ersten gesteuerten Schalter (44), um die Zeitdauer des Ausgangsimpulses auf mindestens 50 Millisekunden zu erhöhen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Erzeugens eines elektrischen Ausgangsimpulses einen Schritt des Erzeugens von bipolaren Ausgangsimpulsen von 20 Mikrosekunden mit dem Sensor (34) aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verwenden einer Spule als Sensor (34); und Erzeugen eines Impulses in der Spule durch einen rotierenden Magne­ ten.

17. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Schritte:
Verwenden eines ersten MOSFETs als ersten gesteuerten Schalter (44); und
Verwenden eines zweiten MOSFETs als zweiten gesteuerten Schalter (52).

18. Verfahren nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch die Schritte:
Anschließen eines Erdpotentials;
Anordnen eines Kondensators (56) zwischen dem ersten und dem zwei­ ten MOSFET (44, 52) und dem Erdpotential;
Laden des Kondensators (56) mit dem positiven oder negativen Aus­ gangsimpuls über den zweiten MOSFET (52), um den ersten MOSFET (44) in einen Leitzustand zu versetzen; und
Entladen des Kondensators (56) mit dem negativen Ausgangsimpuls über den zweiten MOSFET (52), um den Leitzustand des ersten MOSFETs (44) zu beenden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Schritte:
Koppeln eines positiven Rückkopplungssignals von einem Ausgangs­ anschluß (46) des ersten MOSFETs (44) an den Gateanschluß des zweiten MOSFET (52), so daß ein negativer Ausgangsimpuls und/oder das positive Rückkopplungssignal eine Vorspannung an dem zweiten MOSFET (52) anlegt und der erste MOSFET (44) durch schnelles Ent­ laden des Kondensators (56) über den zweiten MOSFET (52) abrupt ausgeschaltet wird.