-
Erfindungsgebiet
-
Das
vorliegende Erfindungspatent bezieht sich auf ein Energiemessgerät und im
Besonderen auf einen Messapparat für Gas oder Strom und einem
bidirektionalen Kommunikationsschaltkreis.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Elektronische
Energiemessgeräte
werden zunehmend angewendet; Energiegesellschaften fordern inzwischen,
dass neue Messgeräte
diesen Typus aufweisen sollten, wobei Messwerte mit hoher Genauigkeit
abgelesen werden können.
Dies geschieht, weil eine Übermittlung
von Messwerten mit Hilfe elektro-optischer Mittel durchgeführt werden kann.
Das heißt,
dass ein Messwerteableser die Gebäude eines Energieverbrauchers
besuchen würde, sein
Ablesegerät
an ein spezifisches Ablesefenster eines Messgeräts halten würde, um eine Messwertablesung
mit einem Messgerät
zu ermöglichen, ohne
dass die Datenübertragung
aufgrund eines menschlichen Irrtums möglicherweise fehlerhaft erfolgen
kann. Diese Systemart ist als kontaktloses, optisch isoliertes Schnittstellen-System
bekannt.
-
Energiemessgeräte sind
mit Energieverbrauchsanzeigen ausgerüstet, die beim Eichen und Überprüfen der
Genauigkeit des Messgeräts
verwendet werden können.
Typischerweise sind solche Anzeiger so angeordnet, dass sie auf
der Stirnseite des Gerätes
sichtbar sind. Der Anzeiger ist typischerweise eine Markierung auf
einer rotierenden Scheibe oder eine Lichtquelle, wie z.B. eine Licht
emittierende Diode (LED), die blinkt.
-
Die
Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe oder die Blinkfrequenz der
LED ist typischerweise proportional zur Höhe des Energieverbrauchs.
-
Die
Gründe
für eine
optisch isolierte Schnittstelle bestehen darin, dass sie eine elektrische
Isolierung zwischen dem Messgerät
und der Kommunikationsausrüstung
sicherstellt und ferner, dass die Kommunikation zum Messgerät hergestellt
wird, sobald das Messgerät
vollständig
an der Stelle montiert ist, an der der interne Schaltkreis anderweitig
gegen externe Einwirkung geschützt
ist. Die kontaktlose, optisch isolierte Schnittstelle benutzt für die Kommunikation üblicherweise
zwei optische Vorrichtungen im Messgerät. Eine Vorrichtung wird verwendet,
um Informationen zu übermitteln
und eine andere Vorrichtung wird verwendet, um Informationen zu
empfangen. Wenn zwei Vorrichtungen verwendet werden, ist es klar,
dass Kostennachteile entstehen, sowohl, weil es sich um die Kosten
von zwei Teilen handelt, als auch, weil die Teile montiert werden
müssen, und
daher würde
es vorteilhaft sein, wenn die Anzahl der Teile reduziert werden
könnte.
Wenn die Anzahl der Teile reduziert werden kann, wird ferner die
Verlässlichkeit
erhöht.
Es gibt bereits bidirektionale Kommunikationsmethoden zwischen einem
Messgerät
und verschiedenen externen Ausrüstungsteilen. Die
am meisten benutzte Methode wird in IEC 1107 erläutert, wobei zwei optische
Vorrichtungen verwendet werden, indem die Eine verwendet wird, um
Informationen zu übermitteln
und die Andere verwendet wird, um Informationen zu empfangen. Eine
zweite angewandte Methode, dient dazu, eine direkte elektrische
Verbindung zwischen dem Schaltungsaufbau des Messgeräts und der
externen Ausrüstung
herzustellen. Der Nachteil dabei besteht darin, dass – während der
direkte elektrische Kontakt zur Schaltung hergestellt werden kann,
bevor ein externes Gehäuse
montiert ist – es
nicht möglich
ist, dieselbe Verbindung nach Montage eines Gehäuses an das Messgerät herzustellen,
es sei denn, dass eine abdichtbare Methode der Isolierung im Gehäuse vorgesehen
werden kann. Die Anforderungen an eine abdichtbare Abdeckung im
Gehäuse
ergeben sich aus den Gesichtspunkten der Sicherheit und von Anti-Betrugsmaßnahmen.
-
Die
Herstellung von elektronischen Messgeräten erfordert oft, dass Parameterwerte,
die spezifisch sind für
das Funktionieren von einzelnen Messgeräten, im Schaltungsaufbau innerhalb
des Messgeräts
zugeordnet und gespeichert sind. Diese Werte weisen einen Bezug
zur Messgenauigkeit der Eichung oder zur Struktur der „Gebühren" auf, die das Messgerät vollzieht,
wenn es angeschaltet ist, aber sie sind nicht darauf beschränkt. Diese
Information wird zuverlässig
auf einer Leiterplatte gespeichert, und zwar in Form eines nichtflüchtigen
Speichers, den ein Mikroprozessor lesen und auf den er schreiben
kann. Wenn die Information aus dem Speicher gelesen wird, können die
Werte benutzt werden, um sicherzustellen, dass das einzelne Messgerät so wie vorgesehen
funktioniert. Bevor der Mikroprozessor dazu in der Lage ist, das
Messgerät
zu steuern, muss die Information erst im Speicher gelagert werden.
Um die Information im Speicher abzulagern, können vorhandene Vorgehensweisen
benutzt werden, um direkt in die Halbleitervorrichtung zu schreiben,
wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem PCB und einer externen
Ausrüstung
verwendet wird; das kann aber aus Sicherheitsgründen unerwünscht sein. Es ist auch möglich, den
Mikroprozessor zu verwenden, um die Information in die Speichervorrichtung
dadurch zu schreiben, dass die Information an den Mikroprozessor übergeben
wird, der dann den Schreibvorgang vollzieht.
-
Wie
weiter oben erörtert,
ist es allgemeine Praxis in der Energiemessgeräteindustrie, eine sichtbare
Anzeige zu konstruieren, die den gemessenen Energieverbrauch anzeigt.
Bekannt ist auch, das Merkmal des Messwerteablesens über eine
kontaktlose, optisch isolierte Kommunikationsstelle mit einer LED-Anzeige
zu kombinieren.
-
EP-A-242
090 (Smith Meters Ltd.) weist eine LCD-Anzeige und ein Blinklicht
auf, das ein Ablesen der Messwerte erlaubt, indem ein photo-elektrischer Sensor
benutzt wird. WO 85/05530 (NCR) weist ein bidirektionales optisches
Datenkommunikationssystem auf, das aus zwei Sets von Sendern und
Empfängern
besteht. GB-A-2 228 641 (Megger Instruments Ltd.) sieht ein Messgerät vor, das
ein visuelles Display und einen LED-Ausgang für einen Strichcodeleser aufweist.
-
Gegenstand
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung versucht, einen verbesserten Messapparat an
Hand zu geben. Ferner ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
eine Energieverbrauchsanzeige für
einen Messapparat bei reduzierten Kosten vorzulegen. Ein weiteres
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, zu relativ niedrigen
Kosten einen bidirektionalen optischen Kommunikationsschaltkreis
für ein
Energiemessgerät
vorzulegen.
-
Feststellung
der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird ein Energiemessgerät gemäß Anspruch
1 vorgelegt.
-
Das
Signal könnte
aus einem Zweipunktsignal mit einer Einschaltanzeige des Wertes
der verbrauchten Energie bestehen.
-
Das
Signal könnte
aus einem Zweipunktsignal mit einer Wiederholungsfrequenz-Anzeige der Energieverbrauchsrate
bestehen.
-
Die
Signalanzeige der Energieverbrauchsrate kann geeicht werden. Ein
Fehler bei der Genauigkeit des Messgeräts kann vom Messwertablesegerät festgestellt
werden.
-
Die
Signale, die vom Messwertablesegerät empfangen werden, könnten das
Betriebsverfahren ändern,
um einen Wechsel der Gebührendaten
vorzunehmen, d.h. eine Signalisierung der Daten der Zeiträume, in
denen kein Spitzenverbrauch anliegt. Andere Funktionen, die einem
erfahrenen Fachmann bekannt sind, könnten auch vorgelegt werden.
-
Das
Messgerät
kann die Eigenschaften seiner dualen Lichtemissionen bzw. Erkennungen
mit Hilfe eines Schaltkreises dergestalt haben, dass die LED in
einem Lichtsendemodus vorwärts
gepolt ist und in einem Lichtempfangsmodus rückwärts gepolt. Herkömmlicherweise
arbeiten die Kommunikations-LED und die Detektoren im unsichtbaren
Bereich des optischen Spektrums. Um eine Anzeige zu haben, die das
menschliche Auge sehen kann, kann ein LCD-Display-Segment, das mit
dem Messgerät
verbunden ist, eingesetzt werden, damit es „blinkt"; dies wird einen „Komfort-Faktor" mit einer sichtbaren
Darstellung des Energieverbrauchs ermöglichen, während die LED- und Detektorvorrichtungen
zum Beispiel im infraroten Bereich des Spektrums betrieben werden.
-
Das
kann zu größerer Wirksamkeit
bei Betrieb eines bidirektionalen Kommunikationsschaltkreises führen.
-
Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird ein Energie-System vorgelegt,
das solche Messgeräte
einbezieht.
-
Die
Energie kann Elektrizität
sein, wobei der Verbrauch der elektrischen Energie in Einheiten
gemessen wird, z.B. in KWh: im Falle von Wasser oder Gas kann der
Verbrauch in Volumeneinheiten gemessen werden, z.B. m3 per
Zeiteinheit, im Fall von zu entsorgenden Flüssigkeiten würde sich
der Verbrauch auf ein Volumen von gereinigtem Abwasser beziehen.
Gemäß einem
weiterem Aspekt der Erfindung wird eine Methode vorgeschlagen, bei
der ein Energiemessgerät
in Verbindung mit einem Messwertablesegerät betrieben wird, wobei
in
einem ersten Modus die LED-Vorrichtung betrieben wird, um eine sichtbare
Anzeige der Energieverbrauchsrate darzustellen;
in einem zweiten
Modus die LED-Vorrichtung ein Abfragesignal vom Messwertablesegerät empfängt; und
in
einem dritten Modus die LED-Vorrichtung Signale sendet, die den
Wert der verbrauchten Energie anzeigen.
-
Die
Erfindung sieht in einem anderen Aspekt ein Energiemessgerät vor mit
einer sichtbaren Anzeige der Energieverbrauchswee, einer Anzeige
der Energieverbrauchsrate und der Erkennung von Abfragesignalen
von einem Messwertablesegerät.
-
Im
Gegensatz zu bekannten Messgeräten und
gemäß der Erfindung
kann eine einzelne LED-Vorrichtung betrieben werden, mit einem Signal für die Energieverbrauchsrate,
einer Signalanzeige für
den Energieverbrauchswert und mit dem Empfang eines Abfragesignals
von einem Messwertablesegerät.
-
Kurze Beschreibung
der Abbildungen
-
[Durch
die kurze Beschreibung der Abbildungen] kann die Erfindung besser
verstanden werden und verschiedene andere Aspekte und Merkmale der Erfindung
können
verdeutlicht werden, und zwar anhand der folgenden Beschreibung
und der Abbildungen, die in den beigelegten Zeichnungsblättern gezeigt
werden, wobei:
-
1 ein
typisches Beispiel eines Energiemessgeräts nach dem Stand der Technik
zeigt;
-
2 und 3 eine
schematische Ansicht der Funktionen eines bidirektionalen optischen Kommunikationssystems
zeigen;
-
4 ein
erstes Beispiel eines Messgeräts gemäß der Erfindung
zeigt; und
-
5 einen
Schaltkreis zeigt, der die Funktion eines bidirektionalen Signals
darstellt.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Im
Folgenden wird durch Beispiele die beste Art und Weise beschrieben,
die nach Vorstellung der Erfinder zur Verwirklichung der Erfindung
führt.
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details
dargestellt, um ein vollständiges Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu erzielen. Es ist jedoch offensichtlich,
dass erfahrene Fachleute die vorliegende Erfindung auch mit Variationen
dieser speziell hier dargestellten verwirklichen können wie sie
von den beigefügten
Ansprüchen
festgelegt werden.
-
1 zeigt
nun ein mechanisches Energiemessgerät 10 nach dem Stand
der Technik. Hinter einer glasierten Verkleidung 12 weist
die Stirnseite des Gerätes
ein mechanisches rotierendes Zahlen-Display 14 auf. Eine
rotierende Scheibe 16 hat eine Markierung 18,
die auf einer Umfangskante angeordnet ist. Diese Markierung ist
während
der Drehung der Scheibe eine Zeit lang sichtbar. Die Anzeige des
Energieverbrauchs kann auch auf andere Art und Weise dargestellt
werden und wird im Falle elektrischer Messgeräte typischerweise mit Hilfe
von blinkendem LED-Licht im sichtbaren Bereich des optischen Spektrums
dargestellt.
-
Die 2 und 3 zeigen
einen Überblick über den
Vorgang beim Lesen von Messwerten, wobei ein Messgerät 22 benutzt
wird, das eine bidirektionale optische Kommunikationsstelle 28 aufweist.
Das Messgerät
hat auch ein sichtbares LCD-Display 27.
Die Stelle 28 hat einen Ring 30, der dabei hilft,
die richtige Positionierung eines entsprechend geformten Teils 29 des
Messwertablesegerätes 24 zu
finden. Der Ring 30 ist ausreichend magnetisch. Bei Gebrauch
wird, wie die 3 am Besten zeigt, Teil 29 des
Messwertablesegerätes 24 gegen den
Ring 30 gehalten. Ein Abzug 26 kann gedrückt werden,
um den Messvorgang zu starten, wenn ein Abfragesignal von einer
Lichtquelle innerhalb des Messwertablesegerätes übermittelt wird. In bekannten
Systemen würde
dieses Signal von einem Detektor innerhalb des Messgeräts empfangen;
das Messgerät
würde die
Verbrauchsdaten mit Hilfe eines gesonderten Sendegerätes (nicht
dargestellt) übertragen.
Die Bezugsziffer 31 zeigt eine LED-Lichtquelle, die anzeigt, dass Energie
verbraucht wird.
-
4 zeigt
ein Energiemessgerät 40,
das im Wesentlichen dem Messgerät 20 entspricht,
das eine optische Kommunikationsstelle 28 mit einer Positionierungshilfe 30 aufweist.
Display 42 unterscheidet sich insofern, als es sich um
ein LCD-Display handeln kann, das eine optische LCD-Anzeige hat, die
die einfache Anzeige bewirkt, dass gerade Energie verbraucht wird – die Abfallzeit
für ein
sichtbares Display würde
typischerweise jede sinnvolle Bestimmung der Verbrauchsrate verhindern.
Andere Displaytypen könnten
auch benutzt werden, wie z.B. LED und VFD (Vacuum Fluorescent Display).
-
Eine
Darstellung der vorliegenden Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf 5 beschrieben;
die Erfindung macht Gebrauch von einer einzelnen LED (Licht emittierende
Diode). Die LED könnte
so hergestellt werden, dass sie im sichtbaren oder im unsichtbaren
(infraroten) Teil des Spektrums anspricht. Eigenschaften einer LED
sind dergestalt, dass die Diode Licht emittiert, wenn sie vorwärts gerichtet
gepolt ist; dies ist die üblicherweise
angewendete Betriebsart einer LED als Sender.
-
Wenn
eine LED rückwärts gepolt
ist, blockieren ihre Eigenschaften den Durchfluss des Stroms durch
die Vorrichtung, wenn jedoch die Halbleitervorrichtung mit Licht
einer Wellenlänge
beleuchtet wird, die zu dem Vorrichtungstyp passt, so wird ein Stromfluss
zustande kommen, der proportional zu der Menge des Lichts ist, von
dem es beleuchtet wird. Benutzt man den Strom der durch die Vorrichtung
fließt – und wird
diese von einer externen Quelle beleuchtet – kann man die Vorrichtung
als Empfänger
verwenden.
-
Wenn
man in der vorliegenden Erfindung für einen passenden Schaltungsaufbau
sorgt, kann die LED entweder vorwärts oder rückwärts gerichtet gepolt werden,
je nachdem, wie es während
der Kommunikation erforderlich ist.
-
In 5 wird
eine das einzelne Licht emittierende Diode LED1, gezeigt, und zwar
mit einem Transistor 1 und den Widerständen R1, R2, R3 und der Diode
D1. Der Schaltkreis wird mit der Kommunikationsvorrichtung verbunden,
die traditionell ein Mikroprozessor ist, obwohl es sicherlich auch
ein ASIC oder eine sonstige Form von diskreter Logik sein könnte. Die
zwei elektrischen Eingänge
in den Schaltkreis, IP1 und IP2, sind mit dem Teil der Kommunikationsvorrichtung,
der die Übermittlung
der Information durchführt,
verbunden. Der Ausgang OP1 ist verbunden mit dem Teil der Kommunikationsvorrichtung,
der den Empfang der Information durchführt.
-
Der
Eingang IP1 ist verbunden mit der Kathode der Licht emittierenden
Diode LED1 und mit einem Ende des Widerstands R3. Das gegenüberliegende
Ende von R3 ist mit dem Kollektor des Transistors Q1 und dem Ausgang
OP1 verbunden. Die Anode der Licht emittierenden Diode LED1 ist
verbunden mit der Kathode der Diode D1, der Basis des Transistors
Q1 und mit einem Ende des Widerstands R2. Die Anode der Diode D1
ist verbunden mit einem Ende des Widerstands R1. Das andere Ende
des Widerstands R1 und das andere Ende des Widerstands R2 und die
Emitter des Transistors Q1 sind mit dem Eingang IP2 verbunden.
-
Wenn
die Eingänge
IP1 und IP2 mit einem Mikroprozessor verbunden werden, kann der
Mikroprozessor die Einstellungen der Logikpegel und daher die elektrischen
Spannungen in den Eingängen IP1
bzw. IP2 kontrollieren, ferner kann die Licht emittierende Diode
LED1 so eingestellt werden, dass sie entweder vorwärts gerichtet
oder rückwärts gerichtet gepolt
ist.
-
Wenn
im Eingang IP1 die Logik niedrig (0 V) gesetzt ist und im Eingang
IP2 die Logik hoch (+V) gesetzt ist, ist die Licht emittierende
Diode LED1 vorwärts
gerichtet gepolt, daher wird ein Großteil des Stroms durch den
Widerstand R1 und die Diode D1 fließen. Der Wert des Widerstands
R1 ist so gewählt, dass
von der Licht emittierenden Diode LED1 ausreichend Beleuchtung während der Übermitlung
der Daten generiert wird.
-
Wenn
im Eingang IP1 die Logik hoch (+V) gesetzt ist und im Eingang IP2
die Logik niedrig (0 V) gesetzt ist, ist die Licht emittierende
Diode LED1 rückwärts gepolt.
Wenn die Licht emittierende Diode LED1 durch die von der Kommunikationsausrüstung übermittelten
Daten beleuchtet wird, fließt
ein Strom durch die Licht emittierende Diode LED1 in den Widerstand
R2 und der Strom ist wegen der rückwärts gerichteten
Polung der Diode D1 gehindert, durch den Widerstand R1 zu fließen. Wenn
der Strom, der durch die Licht emittierende Diode LED1 fließt, groß genug
ist, dann ist das Potenzial, das über den Widerstand R2 sich
aufgebaut hat, groß genug,
um die Basis der Emitter-Sperrschicht
des Transistors Q1 vorwärts
zu richten, worauf der Transistor angeschaltet wird und einen Strom
durch den Widerstand R3 fließen
lässt,
wobei die elektrische Spannung im Ausgang OP1 sich der Spannung
im Eingang IP2 annähert.
-
Wenn
der oben beschriebene Schaltkreis mit der Methode einer zweifachen
optischen Vorrichtung verwendet wird, kann seine Empfindlichkeit
dadurch erhöht
werden, dass der übermittelte
optische Lichtpegel von der Kommunikationsausrüstung erhöht wird.
-
Bei
einer normalen Betriebsart ist die Blinkrate der LED-Anzeige genauso
hoch wie die Verbrauchsrate. Wenn ein Messwertablesegerät gegen die
optische Stelle 29 positioniert wird, und das Messwertablesegerät anspricht,
dann wird ein Abfragelichtimpuls von der LED empfangen, wobei es
als Detektor wirkt, wenn es sich nicht im Übertragungsmodus befindet.
Typischerweise dauert das Blinken der LED 2 – 3 ms und der Zeitraum, in
dem die LED als Detektor anspricht, wäre 100 ms oder mehr; d.h. genug,
um es so zu konfigurieren, dass eine Abfrage empfangen werden kann.
Nach Empfang eines solchen Abfragesignals übermittelt das Messgerät Daten,
die auf den Wert der verbrauchten Energie Bezug nehmen. Diese Daten
können
ebenfalls von den Identifikationsdaten, Gebührendaten usw. des Messgeräts ergänzt werden.
Während
Messwertablesegeräte
in der Regel nicht für
die Eichung der Messgeräte
verwendet werden können,
da das typischerweise bei der Montage während der Fertigung oder bei
der Installation in Gebäuden
gemacht wird, könnte
diese Funktion ebenfalls vorgesehen werden. Während der Übermittlung von Verbrauchsdaten
vom Messgerät zum
Messwertablesegerät,
dessen Datenübermittlung
wiederholt werden kann, wird die normale Übertragung von Energieverbrauchsraten
(Impuls/Blinken) nicht durchgeführt.
-
Da
die Erfindung ein einziges Gerät
sowohl für
die Übertragung
als auch für
den Empfang von Informationen benutzt, ist die Kommunikation zwischen dem
Messgerät
und der Ausrüstung
nur in Halbduplex (d.h. nur in einer Richtung zum gleichen Zeitpunkt)
möglich.
Die Anforderungen von vorhandenen Systemen, die zwei optische Vorrichtungen
für den Datentransfer
benutzen, lassen nur Halbduplex zu, dementsprechend ist die vorliegende
Erfindung auch für
solche Anwendungen geeignet.
-
Ein
Messgerät,
das in sich die Merkmale einer Energieverbrauchsanzeige und einer
optisch isolierten Kommunikationsstelle vereint, würde, soweit bisher
bekannt, aus einer Gesamtheit von drei optischen Vorrichtungen bestehen,
die zwei Übertragungsvorrichtungen
und eine optische Empfangsvorrichtung aufweisen.
-
Die
vorliegende Erfindung führt
zu einer erheblichen Verminderung der Herstellungs- und anverwandter
Kosten von Messgeräten – welche
zu Millionen hergestellt werden und wobei die Kosteneinsparung bedeutend
ist. Weiterhin kann dadurch, dass eine Anzahl von Komponenten eingespart
werden kann, erwartet werden, dass sich die Zuverlässigkeit erhöht.