DE69901052T2

DE69901052T2 - Elektronische Steurvorrichtung mit automatischem Schutz gegen den Zustand von verbrauchten Batterien für bistabile Magnetventile, insbesondere für Beregnungssysteme

Info

Publication number: DE69901052T2
Application number: DE69901052T
Authority: DE
Inventors: Andrea Brundisini
Original assignee: Claber SpA
Current assignee: Claber SpA
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-12-01
Publication date: 2002-09-12
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: ITMI982673A1; EP1013164A1; IL133309A; IL133309A0; US6378838B1; ES2173702T3; AU755623B2; EP1013164B1; AU6314799A; DE69901052D1; IT1304100B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung mit einem automatischen Schutz gegenüber dem Zustand einer ausgeschöpften bzw. leeren Batterie für Magnetventile vom bistabilen Typ, und zwar insbesondere für Bewässerungssysteme.
Bewässerungssysteme für Lichtungen, Gärten, Küchengärten und kultivierte Räume basieren allgemein auf der Verwendung von Magnetventilen, die die Ausgabe von Wasser in die verschiedenen Sektoren bestimmen, die zu bewässern sind.
Die Steuerung der Magnetventile wird programmierbaren elektronischen Steuervorrichtungen unterschiedlicher Komplexität anvertraut, die mit der Netzversorgung verbunden sein können oder mit einer Batterie arbeiten können, in welchem Fall aufgrund einer Einsparung von Leistung Ventile mit elektrischen Aktuatoren bzw. Betätigungsgliedern vom bistabilen Typ wesentlich sind.
Im zweiten Fall ist das, was offensichtlich passiert, dass die Batterieleistung weniger wird und es dann nötig ist, den Zustand der ausgeschöpften Batterie zu erfassen und auf die gesteuerten Magnetventile einzuwirken, um sie bei einer Schließposition zu verriegeln. Auf diese Weise ist es unter Berücksichtigung, dass Magnetventile vom bistabilen Typ Treibersteuerungen kurzer Dauer erfordern, möglich, zu verhindern, dass bei einer bestimmten Stelle der Entladung der Batterie diese Letztere noch ausreichend Energie zum Steuern des Öffnens des Magnetventils hat, aber nicht sein darauffolgendes Schließen, mit der Folge, dass die Bewässerung ohne Unterbrechung bis zu dem Zeitpunkt fortfahren würde, bei welchem irgendjemand das Problem bemerkt.
Aus diesem Grund sind die Steuervorrichtungen von dem Typ mit Batterie normalerweise mit elektronischen Schaltungen versehen, die das Abnehmen der Batteriespannung zu einem minimalen Wert erfassen können, unter welchem keine weitere Aktivierung der Magnetventile, die gesteuert werden, zugelassen ist.
Auf diese Weise ist darüber hinaus das, was passiert, dass die Erfassungsschaltung das Verriegeln des Systems bestimmt, wenn die Batterie in Wirklichkeit noch ausreichend Energie für einige zusätzliche Aktivierungen hat.
Zusätzlich hat die Erfassungsschaltung ihre eigenen Kosten, die die Gesamtkosten der Steuervorrichtung offensichtlich beeinflussen.
Es ist nun eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit einer Batterie versorgte elektronische Steuervorrichtung für Magnetventile vom bistabilen Typ zu realisieren, und zwar insbesondere, aber nicht ausschließlich, für Bewässerungssysteme, die keine Erfassungsschaltung für den Zustand einer ausgeschöpften Batterie erfordert.
Gemäß der Erfindung ist eine solche Aufgabe mit einer elektronischen Steuervorrichtung für ein bistabiles Magnetventil erreicht worden, die folgendes aufweist: eine Leistungsversorgungsbatterie und eine Logiksteuereinheit zum Transferieren von elektrischer Leistung von der Batterie zum Magnetventil, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kondensatorgruppe parallel zur Batterie aufweist, und einen Schalter mit einer ersten Umschalteinrichtung, die zwischen der Batterie und dem Kondensator angeordnet ist, und mit einer zweiten Umschalteinrichtung, die zwischen dem Kondensator und dem Magnetventil angeordnet ist, wobei der Schalter durch die Logiksteuereinheit betrieben wird, um in einem ersten Betriebszustand das Laden des Kondensators zu bestimmen, und in einem zweiten und einem dritten Betriebszustand das Anlegen von Steuerspannungen mit entgegengesetzten Vorzeichen vom Kondensator an das Magnetventil zum jeweiligen Schließen und Öffnen desselben Magnetventils zu bestimmen, wobei die Logiksteuereinheit auf eine derartige Weise programmiert ist, dass eine jeweilige Anfrage für das Öffnen des Magnetventils das Einstellen des Schalters in den ersten Betriebszustand für das Laden des Kondensators an erster Stelle hervorbringt, dann die vorläufige Aktivierung des Schalters im zweiten Betriebszustand für das Schließen des Magnetventils, nachdem eine erste voreingestellte Zeit seit dem vorherigen Schließbetrieb desselben Magnetventils verstrichen ist, dann wiederum das Zurückbringen des Schalters in den ersten Betriebszustand für das neue Laden des Kondensators und schließlich den Betrieb des Schalters in den dritten Betriebszustand für das Öffnen des Magnetventils nach einer nachfolgenden zweiten voreingestellten Zeit, die kürzer als die erste ist.
Auf diese Weise ist es, wie es hierin nachfolgend besser gesehen werden wird, möglich, eine Garantie dafür zu haben, dass eine bestimmte Stelle der Entladung der Batterie, oder auch in einem Fall einer Entfernung derselben Batterie, eine Restenergie noch im Kondensator bleibt, der dazu fähig ist, das Schließen des Magnetventils zuzulassen, ohne irgendeine weitere Möglichkeit, es wieder zu öffnen.
Die Charakteristiken der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels von ihr klar gemacht, das als nicht beschränkendes Beispiel in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
Fig. 1 das elektrische Ersatzschaltbild des Teils einer Steuervorrichtung zeigt, die für den Schutz gegen den Zustand einer ausgeschöpften Batterie sorgt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist eine Batterie, die derart angesehen ist, dass sie aus einem Spannungsgenerator Vb und aus einem äquivalenten internen Widerstand Ri aufgebaut ist, als Ganzes durch B gezeigt.
Infolge zu dem letzteren ist ein serieller Widerstand Rs eingestellt, und parallel zur Serienschaltung, die aus Vb, Ri und Rs besteht, ist ein Kondensator C eingestellt, an dessen Enden somit eine Spannung Vc vorhanden ist.
Ein Schalter S mit zwei Polen P1, P2 und P3 und drei Betriebspositionen (in Fig. 1 "EIN" nach oben, "LADEN" in der Mitte, "AUS" nach unten), die durch eine Mikroprozessor-Logiksteuereinheit M gesteuert werden, sorgt dafür, den Kondensator C auf die Spannung Vc zu laden, wenn der Pol P1 des Schalter in der "LADE"-Position ist, und zum nachfolgenden Anlegen der Spannung Vc, die somit erhalten wird, nun mit einem Vorzeichen und dann mit dem anderen, demgemäß, ob die Pole P2 und P3 des Schalters in der Position "EIN" oder "AUS" sind, an eine Last, die das Magnetventil (oder Magnetventile) darstellen, das gesteuert wird, oder besser das bistabile Solenoid bzw. Magnetventil, das sein Öffnen und Schließen jeweils für das Starten und Stoppen der Bewässerung steuert.
Das Betriebsprinzip der hierin beschriebenen Schaltung, und daher des Schutzes einer ausgeschöpften Batterie, die sie darstellt, ist das folgende.
Lasst uns annehmen, dass zum Zeitpunkt des Freigebens des Schalters S nach einem Start (Position "EIN") oder einem Stopp (Position "AUS") des Magnetventils, und daher nach einem Entladen des Kondensators C auf die Ladung XL (beispielsweise für eine Zeit ts = 50 msek), der Kondensator C auf eine Spannung Vin ist, die in den beiden Fällen nahezu identisch ist.
Darauffolgend, nämlich dann, wenn der Schalter S in der Ruheposition der Fig. 1 ist, verändert sich die Ladespannung des Kondensators gemäß dem folgenden Verhältnis:
Vc(t) = Vin + (Vb - Vin)·(1 - e-[t/(Ri+Rs)·C])
Daher ist die Spannung Vc nach 2 Sekunden am Ende folgende:
Vc(2sek) = Vin + (Vb - Vin)·(1 - e-[2/(Ri+Rs)·C])
wohingegen die Spannung Vc nach 8 Sekunden folgende wird:
Vc(8sek) = Vin + (Vb - Vin)·(1 - e-[8/(R+Rs)·C])
Der Unterschied zwischen den zwei Spannungen Vc(8sek) und Vc(2sek) ist das folgende:
ΔVc = [Vc(8sek) - Vc(2ek)] = Vin + (Vb - Vin)·(1 - e-[8/(Ri+Rs)·C]) - Vin - (Vb -Vin)·(1 - e-[2/(Ri+Rs)·C])
was bedeutet:
ΔVc = (Vb - Vin)·(1 - e-[8/(Ri+Rs)·C] - 1 + e-[2/(Ri+Rs)·C] = (Vb - Vin)·(e-[2/(Ri+RS)·C] - e-[8/(Ri+Rs)·C])
was noch folgendes bedeutet:
ΔVc = (Vb - Vin)·[e-[2/(Ri+Rs)·C] - e-[8/(Ri+Rs)·C]]
Wenn wir beispielsweise die folgenden Werte mit einer geladenen Batterie und einer ausgeschöpften Batterie mit Rs = 68 Ohm, C = 4700 uF und XL = RL = 5 Ohm (wobei die Ladung XL durch einen einfachen Widerstand angenähert ist, da die Wirkung der Spule derselben Ladung vernachlässigbar ist) betrachten, gilt folgendes:
Geladene Batterie: Vb = 9,5 V
Ri = 10 Ohm
Vin = Vb·e-[ts/RL·C] = 9,5·e-[0,05/(5·0,0047)] = 1,13 V

Ausgeschöpfte

Batterie: Vb = 7,0 V
Ri = 100 Ohm
Vin = Vb·e-[ts/RL·C] = 7,0·e-[0,05/(5·0,0047)] = 0,84 V
Durch Einsetzen erhalten wir folgendes:
ΔVc(geladene Batterie) = (9,5 - 1,13)·[e-[2/(10+68)·0,0047] - e-[8/(10+68)·0,0047]] = 0,036 V
ΔVc(ausgeschöpfte Batterie) = (7,0 - 0,84)·[e-[2/(100+68)·0,0047] - e-[8/(100+68)·0,0047]] = 0,490 V
Wie es beobachtet werden kann, erhöht sich der Unterschied zwischen der Spannung Vc nach 2 Sekunden und derjenigen nach 8 Sekunden dann, wenn die Batterieladungen weniger werden, und derjenige mittels des Erhöhens des äquivalenten internen Widerstands Ri der Batterie, wenn diese weiter entladen wird.
Durch Erzielen eines Vorteils aus diesem Prinzip findet ein Schutz gegenüber dem Zustand einer ausgeschöpften Batterie gemäß der Erfindung auf die folgende Weise statt.
Jedes mal dann, wenn es nötig ist, das Ventil zu öffnen, steuert der Mikroprozessor M zuerst eine Schließposition (Schalter S in der "AUS"-Position) während zuvor sichergestellt ist, dass eine mögliche vorherige Schließoperation seit mehr als 8 Sekunden stattgefunden hat. Sonst wartet er, dass 8 Sekunden seit der letzten vorgenannten Operation verstreichen (Schalter S in der "LADE"-Position).
Auf diese Weise gibt es eine Garantie, dass der Kondensator C die Ladespannung Vc (8sek) vor einem Steuern des Schließens des Magnetventils erreicht hat.
Nachdem er den Befehl zum Schließen des Ventils gesendet hat, wartet der Mikroprozessor 2 Sekunden, um den Spannungswert Vc (2sek) am Kondensator C zu garantieren (der Schalter S in der "LADE"-Position), und an dieser Stelle sendet er die Steuerung für das Öffnen des Ventils (Schalter S in der "EIN"-Position).
Im wesentlichen arbeitet der Mikroprozessor auf eine derartige Weise, dass die Ladespannung (Vc(8sek)) des Kondensators C zu dem Zeitpunkt des Schließens des Ventils immer höher als Eins (Vc(2sek)) ist, welches zu dem Zeitpunkt des Öffnens desselben Ventils vorhanden ist.
Wie es bereits gesagt ist, ist der Unterschied zwischen den zwei Spannungen (ΔVc = Vc(8sek) - VC(2sek)) um so höher, um so mehr die Batterie entladen ist.
Es gibt daher die Garantie, dass der Kondensator C bei einer bestimmten Stelle des Ausschöpfens der Batterie jedoch noch eine Restenergie enthält, die das Schließen des Ventils zulassen kann, ohne dass es möglich ist, es wieder zu öffnen.
Gleichzeitig dauert ein Öffnen und Schließen des Ventils an, solange es die Batterie zulässt, und nicht solange, bis es eine Entscheidung der Erfassungsschaltung gibt, wie bei den Steuervorrichtungen gemäß der bekannten Technik.
Zusätzlich verhindert die vorliegende Erfindung, dass in einem Fall einer Anfrage nach dem Öffnen des Ventils, während die Batterie bei einer Stufe eines Ersatzes oder in irgendeinem Fall einer Entfernung aus irgendeinem Grund ist, die letzte Leistung, die im Kondensator C vorhanden ist, dazu verwendet wird, das Ventil zu öffnen, ohne dass irgendeine Energie zurückgelassen wird, wenn die Batterie einmal abgetrennt ist, um dasselbe wieder zu schließen.
Darüber hinaus ist es nötig, darauf zu achten, dass nach dem letzten möglichen Schließen genügend Leistung in der Batterie vorhanden sein muss, um den Betrieb des Steuerprozessors zur garantieren. Sonst ist das, was tatsächlich passieren könnte, während das Ventil offen ist, der Mikroprozessor nicht genügend Leistung von der Batterie empfängt, um zuzulassen, dass er das Schließen des Ventils steuert. Dieser Zustand wird durch Wählen eines geeigneten Typs von Mikroprozessor garantiert, der bei Spannungen arbeiten kann, die ausreichend niedriger als die minimalen sind, die für die Aktivierung eines bistabilen Solenoids für ein Magnetventil erforderlich sind.
Zusätzlich sollte auch beachtet werden, dass es dann, wenn man im wesentlichen irgendeine Beschränkung bezüglich des minimalen Werts einer Batteriespannung im wesentlichen entfernt hat, die für die Aktivierung des Magnetventils erforderlich ist, und wenn man somit die Anzahl von möglichen Aktivierungen des Magnetventils erhöht hat, möglich ist, ohne einen Verlust an Leistungsfähigkeit verglichen mit einer herkömmlichen zentralen Steuereinheit, die Leistungsversorgungsschaltung des Magnetventils durch Hinzufügen eines seriellen Widerstands nur während der Stufe des Öffnens des Ventils ins Ungleichgewicht zu bringen, so dass bei der Öffnungsstufe weniger Leistung zum Solenoid des Magnetventils gelangt als bei der Schließstufe. In einem Fall ist der Pol P2 des Schalters S vom elektronischen Transistortyp, was durch Verwenden von Transistoren mit Werten von Vcesat (Kollektor-Emitter in Zuständen einer Sättigungsspannung) für die öffnende Steuerschaltung, die höher als diejenigen der Transistoren für die schließende Steuerschaltung sind, möglich wäre.

Claims

1. Elektronische Steuervorrichtung für ein bistabiles Magnetventil, insbesondere für Bewässerungssysteme, welche eine Energieversorgungsbatterie (B) und eine logische Steuereinheit (M) aufweist, um die elektrische Energie von der Batterie (B) zu dem Magnetventil (XL) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kondensator (C) aufweist, welcher parallel zu der Batterie (B) über einen Schalter (S) geschaltet ist, welcher eine erste Schalteinrichtung (P1) hat, welche zwischen der Batterie und dem Kondensator (C) angeordnet ist, und eine zweite Schalteinrichtung (P2, P3) hat, welche zwischen dem Kondensator (C) und dem Magnetventil (XL) angeordnet ist, der Schalter (S) durch die logische Steuereinheit (M) betreibbar ist, um in einem ersten Arbeitszustand die Aufladung des Kondensators (C) und in einem zweiten und dritten Arbeitszustand Steuerspannungen mit zu dem Kondensator (C) entgegengesetztem Ladungsvorzeichen an das Magnetventil (XL) zum Schließen und jeweils zum Öffnen des Magnetventils anzulegen, die logische Steuereinheit (M) derart programmiert ist, daß bei jeder Anforderung zum Öffnen des Magnetventils der Schalter (S) zuerst in den ersten Arbeitszustand zum Aufladen des Kondensators (C) gebracht wird, dann vorläufig der Schalter (S) in den zweiten Arbeitszustand zum Schließen des Magnetventils versetzt wird, nachdem eine erste Vorgabezeit seit dem vorangehenden Schließvorgang des Magnetventils verstrichen ist, dann der Schalter (S) wiederum in den ersten Arbeitszustand zum neuen Aufladen des Kondensators (C) gebracht wird, und schließlich der Schalter (S) im dritten Arbeitszustand zum Öffnen des Magnetventils nach einer anschließenden zweiten Vorgabezeit in Betrieb gesetzt wird, welche kürzer als die erste Vorgabezeit ist.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Vorgabezeit 8 Sekunden beträgt.

3. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Vorgabezeit 2 Sekunden beträgt.

4. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Steuereinheit (M) einen Mikroprozessor aufweist, welcher mit einer Spannung betreibbar ist, welche niedriger als die zu Aktivierung des Magnetventils erforderliche minimale Spannung ist.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Herabsetzung der Steuerspannung aufweist, die an das Magnetventil zum Öffnen desselben im Vergleich zu einer Spannung angelegt wird, die durch den Kondensator (C) verfügbar ist.

6. Steuervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen in Serie geschalteten Widerstand aufweist, welcher mit dem zweiten Pol (P2) des Schalters (S) verbunden ist.