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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungs- und Anschlussvorrichtung,
die dazu bestimmt ist, ein Messgerät mit einer Datenerfassungseinheit zu verbinden,
und einen Stecker mit einem optischen Kopplungsorgan umfasst, um Daten vom
Messgerät zur Datenerfassungseinheit zu übertragen.
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Die Anforderungen sind vielfältig, die bezüglich einer solchen Vorrichtung zu
erfüllen sind, die zum Beispiel eine Schublehre oder ein Mikrometer mit einer
Datenerfassungseinheit wie einem Computer, einem Drucker, einem Modem oder einer
Anzeigevorrichtung verbinden soll:
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- sehr geringer zusätzlicher Stromverbrauch am Messgerät, da dieses im
allgemeinen nur mit Batterien geringer Kapazität ausgerüstet ist;
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- geringer Stromverbrauch an der Datenerfassungseinheit, da deren Stecker
im allgemeinen nur einige Milliampere liefern können;
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- einfacher Anschluss und einfache Benutzung - durch die Verbindung darf
insbesondere die Messfunktion des Gerätes nicht behindert werden;
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- ausreichende Zuverlässigkeit und Umempfindlichkeit gegenüber elektrischen
Störungen - insbesondere sollten die metallischen Aussenpartien des
Messgeräts nicht in leitende Verbindung mit der Datenerfassungseinheit kommen,
um Stromschleifen zu vermeiden, die ein gutes Funktionieren des Geräts
oder der Verbindung stören können;
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- sehr geringer Preis, insbesondere was die Verbindungselemente betrifft, die
am Messgerät angebracht sind und daher dessen Preis belasten, selbst wenn
es niemals angeschlossen wird;
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- Kompatibilität mit den seriellen Steckern (zum Beispiel vom Typ RS 232), die
an den Datenerfassungseinheiten zu finden sind.
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Die heute am weitesten verbreitete serielle Verbindung zwischen einer
Datenerfassungseinheit und einem Peripheriegerät ist die durch die EIA-Norm RS 232
definierte. Diese Verbindung kann aber für Messgeräte vom Typ einer Schublehre oder
eines Mikrometers nicht ohne Abänderungen benutzt werden, da diese Geräte sonst
zu hohe Ströme liefern müssten.
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Um dies zu vermeiden, werden bestimmte Peripheriegeräte wie zum Beispiel die
Mäuse oder zweidimensionale Wegaufnehmer über bestimmte Steckerleitungen vom
Computer versorgt.
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Diese Lösung ist für eine Schublehre oder ein Mikrometer nicht brauchbar, weil die
elektrische Kopplung ein gutes Funktionieren der Messgeräteelektronik stören
könnte.
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Eine Verbindung über optische Fasern ist ebenfalls machbar, hat aber die Nachteile
einer übermässigen Starrheit der ummantelten Faser, was die Handhabung des
Messgerätes stört, sowie von Ankopplungsproblemen und erhöhtem Gestehungspreis.
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Aus der Patentschrift WO 88/08184 ist ein Messgerät bekannt, das Messdaten per
Funk zu einer Datenerfassungseinheit sendet. Diese Funkübertragung ist einerseits
möglichen Störungen unterworfen und hat andererseits einen erhöhten
Gestehungspreis.
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Im Dokument IBM Technical Disclosure Bulletin, Band 30, Nr. 6, Seiten 151 bis 152
(1987) wird eine Steckverbindung beschrieben, die einen Personalcomputer mit
Peripheriegeräten verbindet. Diese Steckverbindung hat einerseits elektrische
Stecker, um elektrische Energie zu den Peripheriegeräten zu übertragen, und
andererseits eine optische Kopplung, die dazu bestimmt ist, Daten zu übermitteln.
Die optische Kopplung wird eingesetzt, um eine vorzeitige Abnutzung der Stecker
zu vermeiden.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dazu bestimmt, die vorerwähnten Nachteile
der Geräte zu vermeiden und eine Verbindung von einem Messgerät zu einer
Datenerfassungseinheit herzustellen, die völlig nichtelektrisch ist, eine einfache und
zuverlässige Bauform aufweist und einen minimalen Strombedarf für die
Übertragung hat. Zu diesem Zweck ist die Verbindungsvorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass die Steckverbindung einen Stecker umfasst, der mit einem Photodetektor
ausgerüstet ist, der imstande ist, durch das Kabel elektrische Signale zur Einheit
zu senden, wobei der Stecker dafür eingerichtet ist, mit einer entsprechenden
Partie des Mess geräts zusammenzuwirken, die ihrerseits mit einem Photoemitter
ausgerüstet ist, der imstande ist, elektrische Signale von einem elektrischen
Schaltkreis des Messgeräts aufzunehmen und Lichtquantensignale in Richtung auf
den Photodetektor auszusenden, und der Stecker eine dem Photodetektor
zugeordnete Verstärkerschaltung mit zwei Stromzuführungen enthält, die mit der benannten
Einheit verbunden sind und zum einen über einen Widerstand in Reihe mit dem
Photodetektor und zum anderen dazu parallel über einen Transistor miteinander
verbunden sind, wobei der Kollektor des Transistors an eine Stromstabilisatordiode
und die Basis des Transistors an den Eingang des Phötodetektors angeschlossen
ist und der Kollektor dieses Transistors das verstärkte Signal durch Kabel an die
benannte Einheit liefert.
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Diese Vorkehrungen haben den Vorteil,
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- das Messgerät von der Datenerfassungseinheit galvanisch zu trennen;
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- die Verwendung eines elektrischen Kabels zu gestatten, das flexibler als ein
optisches Kabel ist und an die meisten heutigen Datenerfassungseinheiten
direkt angeschlossen werden kann;
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- zusätzliche erhöhte Kosten und Platzbedarf zu vermeiden, insbesondere beim
Messgerät, dem nur zwei Bauelemente hinzugefügt werden müssen, eine
Leuchtdiode und ein Phototransistor, die geringe Abmessungen und einen
geringen Preis haben und deren zusätzliche Kosten dadurch kompensiert
werden, dass ein am Messgerät angebrachter elektrischer Stecker entfällt;
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- die für die Datenübertragung erforderliche Stromaufnahme auf ein Minimum
herabzusetzen.
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In einer vorteilhaften interaktiven Abwandlung ist der Stecker mit einem
Photoemitter ausgerüstet, der imstande ist, Lichtquantensignale in Richtung auf einen
auf der benannten Partie angeordneten Photodetektor auszusenden, und durch
Kabel mit der benannten Einheit verbunden ist, wobei der Photodetektor imstande
ist, elektrische Signale zu der benannten elektrischen Schaltung des Messgeräts
zu senden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Stecker einen
allgemein flach geformten Kern, der in der Mitte eine Aussparung hat, in der eine
gedruckte Schaltung untergebracht ist, auf der sich eine als Photoemitter dienende
Leuchtdiode und ein als Photodetektor dienender Phototransistor sowie die
benannte Verstärkerschaltung befinden, wobei der Kern in eine Vertiefung
entsprechender Form eingeführt werden kann, die so am Messgerät angeordnet ist, dass
seine Leuchtdiode einem Phototransistor des Messgeräts und sein Phototransistor
einer Leuchtdiode des Messgeräts gegenüberliegt.
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Andere Vorteile werden aus den Merkmalen der Unteransprüche und der
Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, die nachfolgend
schematisch und beispielhaft mit Hilfe von Zeichnungen dargelegt wird.
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Figur 1 zeigt im Teilausschnitt eine Schublehre, die mit einer der Aufgabe der
Erfindung entsprechenden Vorrichtung versehen ist.
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Figur 2 stellt einen Stecker vor, wie er in der der Aufgabe der Erfindung
entsprechenden Vorrichtung verwendet wird.
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Figur 3 veranschaulicht die Vorrichtung im Querschnitt.
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Figur 4 zeigt das zugehörige elektrische Schaltschema, und
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Figur 5 zeigt die sich darauf beziehenden Wellenformen.
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Mit Bezug auf die Figuren 1, 2 und 3 hat das Gerät 10, hier eine digitale
Schublehre, eine Vertiefung 14, in die der Stecker 20 eingeführt wird. Die korrekte Lage
dieses Steckers 20 wird durch die Gestalt der Vertiefung 14 sichergestellt, die
derjenigen des Steckers 20 gleicht. Bei der Einführung wird die Lage des Steckers
20 durch zwei Finger 23 fixiert, die mit dem Kern 30 des Steckers 20 eine Einheit
bilden. Diese Finger 23 rasten in zwei Aussparungen 24 ein, die im Messgerät 10
dafür vorgesehen sind, und haben eine bestimmte Elastizität, wodurch die für die
Einführung und das Herausziehen des Steckers 20 erforderlichen Kräfte geregelt
werden.
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Eine Sperre 25 am Stecker 20 sowie eine entsprechende Aussparung 26 am
Messgerät garantieren die korrekte Ausrichtung des Steckers 20, so dass eine
Leuchtdiode 21 und ein Phototransistor 22, die auf dem Stecker angeordnet sind, genau
einem Phototransistor 12 und einer Leuchtdiode 11 des Messgeräts gegenüberliegen
(siehe die Schnittzeichnung der Figur 3).
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Der Stecker 20 setzt sich in einem Griff 27 und einem Kabel 40 fort, wodurch der
Stecker 20 mit dem Stecker 50 verbunden wird, der in einen seriellen Eingang eines
Datenerfassungssystems 51 eingesetzt ist.
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Figur 3 zeigt im Schnitt den Stecker 20 in seiner Vertiefung 14, wo er sich der
Leuchtdiode 11 und dem Phototransistor 12 gegenüber befindet, die auf einer
gedruckten Schaltung 13 der Schublehre 10 angebracht sind.
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Die Pfeile zeigen die Richtung der optischen Datenübertragung an: von der
Leuchtdiode 21 zum Phototransistor 12, d.h. vom Stecker 20 zur Schublehre 10, und von
der Leuchtdiode 11 zum Phototransistor 22, d.h. von der Schublehre 10 zum
Stekker 20. Der Stecker 20 ist so ausgeführt, dass er vor allem eine geringe
Dickenabmessung hat. Der Kern 30 des Steckers 20 hat eine Aussparung 33. Auf der einen
Seite dieses Kerns ist eine gedruckte Schaltung 31 aus einer Schicht angebracht,
der die Leuchtdiode 21, der Phototransistor 22 und die anderen Bauelemente
aufgelötet sind, die dafür nötig sind, die gewünschten Signale zu erhalten, und die
den übrigen Raum in der Aussparung 33 einnehmen. Eine Abdeckung 32, die
zumindest
gegenüber den optischen Bauelementen durchsichtig ist, schliesst den Stecker
auf der der gedruckten Schaltung gegenüberliegenden Seite ab.
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Die Bauelemente sind vorzugsweise von einem in der Oberfläche angeordneten Typ,
um den Platzbedarf zu verringern.
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Der in der Figur 4 gezeigte elektronische Kreis ist so aufgebaut, dass die als
Photoemitter des Messgeräts dienende Leuchtdiode 11 im Wartezustand ist, dass also
das am Ausgang 53 eines Mikrowächters des Messgeräts 10 erzeugte Signal V1 null
ist, wenn keine Ergebnisse übertragen werden.
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Auf der Seite des Steckers 20 ist der als Photodetektor dienende Phototransistor
22 an einen Verstärkerkreis 61 angeschlossen, der zwei Speiseleitungen 62, 63 hat,
zwischen denen parallel einerseits ein Widerstand 64 (von 50 kΩ) in Reihe mit dem
Phototransistor 22 und andererseits ein Transistor 65 vom PNP-Typ angeschlossen
sind, wobei der Kollektor des Transistors 65 mit einer Stromstabilisatordiode 66
verbunden ist, die von einem bestimmten Potentialunterschied an (2 V) für einen
konstanten Strom (1,5 mA) sorgt. Diese Diode 66 könnte durch einen Widerstand
(von 3 bis 5 kΩ) ersetzt werden. Die Basis des PNP-Transistors 65 ist mit dem
Eingang des Phototransistors 22 verbunden, während der Kollektor dieses PNP-
Transistors 65 über die Übertragungsleitung 67 das verstärkte Signal V3 an die
Datenerfassungseinheit 51 liefert.
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Folglich fliesst, wenn sich die Leuchtdiode 11 im Wartezustand befindet und das
Signal V1 an der Anschlussklemme 53 null ist, kein Strom durch den
Phototransistor 22. Daher wird die Basis des PNP-Transistors 65 auf dem Potential der mit dem
Emitter des PNP-Transistors 65 verbundenen Leitung 62 gehalten, und durch den
PNP-Transistor 65 fliesst kein Strom. Die Stromstabilisatordiode 66 hält die
Übertragungsleitung 67 auf negativem Potential. Wenn Daten übermittelt werden
und das Signal V1 nicht mehr null ist, emittiert die Leuchtdiode 11 Licht und macht
den Phototransistor 22 genügend leitend, um von der Basis des Transistors 65
Strom zu ziehen. Dieser wird dann seinerseits leitend, und das Signal V3 an der
Leitung 67 wird positiv, wie es in Figur 5 veranschaulicht ist.
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Durch diese Anordnung wird der am Messgerät 10 für die Übertragung der
Messergebnisse an die Datenerfassungseinheit 51 des Computers benötigte Strom auf ein
Minimum reduziert.
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Was die Übertragung von Signalen von der Datenerfassungseinheit 51 zum
Messgerät 10 betrifft, so ist die Leuchtdiode 21 des Steckers über eine zweite
Stromstabilisatordiode 68 mit der Leitung 69 verbunden, über die sie Steuersignale V4
von der Datenerfassungseinheit 51 erhält, wobei die andere Anschlussklemme der
Leuchtdiode 21 an die Leitung 63 angeschlossen ist. Das von der Leuchtdiode 21
ausgesendete Licht wird vom Phototransistor 12 des Messgeräts 10 aufgefangen, der
ein elektrisches Signal V2 zum Eingang 52 des Mikrowächters übermittelt. Im
beschriebenen Kreis wird die Leitung 69 an eine positive Spannung gelegt, und die
Leuchtdiode 21 sendet ein Lichtquantensignal von einer Wellenlänge im sichtbaren
oder infraroten Bereich aus, das aufgefangen und zum Mikrowächter übermittelt
wird. Letzterer kann so programmiert werden, dass er das Vorhandensein des
Steckers 20 aus dem Vorhandensein des Lichtquantensignals erkennt. Wenn die
Steuereinheit 51 ein Messergebnis anfordert, indem sie die Leitung 69 an ein
negatives Potential legt, wird der Stromfluss in der Stabilisatordiode 68 und in der
Leuchtdiode 21 unterbrochen. Der Phototransistor 12 ist dann nicht mehr leitend,
und die Spannungsänderung des Signals V2 kann vom Eingang 52 des
Mikrowächters abgelesen werden, der wie oben beschrieben die Übermittlung eines
Messergebnisses befiehlt.
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Es ist klar, dass das Messergebnis auch in asynchroner Weise vom Messgerät
übertragen werden kann. Bei technisch verfeinerten Messgeräten kann die Leitung 69
atich spezifischere Daten von der Datenerfassungseinheit 51 zum Messgerät 10
übertragen, zum Beispiel Werte für eine Vorregelung oder Grenzen der zulässigen
Abweichung.
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Durch die Auswahl von optoelektronischen Bauelementen guter Qualität und neuer
Technik erreicht man bei Strömen von weniger als 1 mA in der Leuchtdiode 11
über Leitungen von mehr als 15 in leicht übertragungsgeschwindigkeiten von 4800
Bits pro Sekunde. Unter der Annahme, dass die übertragenen Informationen kurz
sind, zum Beispiel 10 ASCII-Zeichen pro Ergebnis bei der Schublehre, und dass ein
Ergebnis pro Sekunde übermittelt wird, was für ein solches Gerät viel ist, kann
man für das Gerät eine Zunahme des mittleren Stromverbrauchs von nicht mehr als
0,01 mA berechnen. Bei richtigem Anschluss der Signale, der die Signale V3 und V4
übermittelnden Leitungen sowie der positiven (62) und negativen (63) Speisung an
die serielle Schnittstelle einer Datenerfassungseinheit bedarf es keiner zusätzlichen
Schaltung, um die Verbindung zwischen dem Messgerät und der
Datenerfassungseinheit sicherzustellen.
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Da die elektronischen Schaltungen für den Mikrowächter und das Messgerät 10 kein
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, werden sie hier nicht beschrieben;
Ausführungsbeispiele werden in den Patentschriften US 4 437 055 und 4 841 225
vorgestellt.
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Selbstverständlich hat die oben beschriebene Ausführungsform der
Verbindungs- und Anschlussvorrichtung keine begrenzenden Eigenschaften und kann in dem
durch den Hauptanspruch definierten Rahmen jede wünschenswerte Abänderung
erfahren. So ist es nicht notwendig, die Leuchtdioden und entsprechenden
Phototransistoren einander gegenüber anzuordnen. Um vor allem den Platzbedarf
des Steckers 20 zu vermindern, könnte es erforderlich werden, sie in derselben
Ebene anzuordnen und Licht von ersteren zu letzteren über in entsprechender
Weise angeordnete Lichtreflektoren oder -leiter zu übertragen. Anstelle einer in
beiden Richtungen arbeitenden Verbindungsvorrichtung könnte in einer
vereinfachten Variante einzig eine Verbindung benutzt werden, die nur einen Photoemitter
auf der Seite des Messgeräts und einen auf dem Stecker angeordneten
Photodetektor umfasst. Statt einer allgemein rechteckigen Form kann der Stecker jede andere
Geometrie haben.