CN1051372C - 脉冲启动器装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置用来记录有关一种转盘的角运动信息。该盘相对于电磁能来说具有特性各不相同的若干区域。该装置包括：第一发射装置和第二发射装置。第一和第二电磁能脉冲序列是从该盘第一侧面的不同区域反射出来的，这些区域沿着该盘的旋转方向被分隔开。光敏装置在某一单点处接收来自第一和第二发射装置的电磁能脉冲，并根据所接收的电磁能脉冲产生一个信号。控制器处理该信号以便确定该盘的转数和旋转方向。

Description

脉冲启动器装置及其方法
本发明涉及一种用来监控一种软盘的角运动的装置和方法，尤其涉及一种用来监控和获取来自一种标准电度表中该转盘的功耗信息的设备和装置。
众所周知在该技术中，有一种普遍使用的电度表采用一种水平放置的转盘随着电能消耗而旋转。在这种电度表中还包括多个刻度盘(dial)，这些刻度盘用机电方法记录该转盘的旋转的圈数，从而跟踪功耗。过去，利用各种可选的机电方法记录功耗以便提高测量精度和提供遥感能力。例如，设计了使用电磁能(EM)通过检测该盘表面的一个无反射标志或经过该盘上的一个小孔来传输能量的方法来监控该盘的旋转的系统。电磁能(EM)源通常是安装在电度表结构上以便使它的发射能落到该盘表面上。将一个传感器配置在适当位置，以便当该标志或小孔通过EM源时，该传感器检测出该反射能的下降或经过该盘的能量传输。然后，某种处理电路将从所产生的信号中得出并累加能耗数据。于是该数据可以借助于各种技术，包括在电力线上的编码传输或红外传输，进行远距离通信。这些系统的实例已记述在Hicks的美国专利No.4399510、Anderson，等人的美国专利No.4301508以及Ward的美国专利No.4350980中。
已研制了具有不仅能确定盘的旋转圈数，而且能确定盘的旋转方向的能力的几种系统。这种能力可望用于检测对电源监控设备的未经授权的访问和干预。两种这样的系统被记述在由Lipski etal发明的美国专利No.4678907和由Marshan发明的美国专利No.4321531中。这些系统中的每一个系统采用了两个光敏传感器和辅助电路以便测定旋转方向。当这些系统在某些应用中证明是有效时，本发明具有只使用一个传感器也能实现同样能力的优点。
现提出一个用来记录有关配置在第一结构的转盘的角运动的信息的装置，该转盘就电磁能来说划分具有不同特性的区域。该装置包括用来沿着该转盘的第一方向发射第一电磁能脉冲序列的第一发射装置。该第一发射装置安装在靠近转盘第一侧面的第一结构上。所述装置还包括用来沿着该转盘的第二方向发射第二电磁能脉冲序列的第二发射装置，该第二发射装置也安装在靠近该转盘第一侧面的第一结构上。第一和第二方向是这样的方向，它使得第一和第二电磁能脉冲序列从该转盘第一侧面的不同区域反射出来，这些区域沿着盘的旋转方向上被分隔开来。光敏装置安装在第一结构上，使得它们在一个单点处接收来自第一和第二发射装置的电磁能脉冲。该光敏装置将根据所接收的电磁能脉冲产生一个信号。然后，一个连接该光敏装置的控制器将对该信号进行处理以便测定该转盘的旋转圈数和旋转方向。
在本发明的一个实施例中，第一和第二发射装置包括红外发射二极管(IRED)，而光敏装置包括一个光二极管。在该转盘第一侧面上的区域具有不同的红外辐射能反射特性。控制器与红外发射二极管(IRED)连接使它们按照某一特定序列发射红外脉冲。该脉冲序列从转盘的第一侧面反射并由产生一种信号的光二极管所接收，该信号的特征取决于反射红外脉冲的区域。在一个特定的实施例中，第一结构是一个标准的电度表。
人们应该明白，本发明不仅可以如上所述的反射方式配置，而且可以以一种透射方式配置。在这样的一个实施例中，第一和第二发射装置与光敏装置不同，它们配置在转盘的另一面，第一和第二发射装置沿着转盘的旋转方向被空间上分隔开来。不是在该转盘的无反射区，而是在辐射吸收区域至少有一小孔，通过该孔径光敏装置能从第一和第二发射装置检测出电磁能脉冲。
现提出使用上述装置的一个实例获取有关转盘旋转信息的方法。第一发射装置的电磁能从该盘的第一侧面反射，并在第一点处由光敏装置接收。然后，产生一个相应于所接收的电磁能的第一信号脉冲。而后第二发射装置的电磁能从该盘的另一侧面反射，并在同一点处由光敏装置接收。于是产生一个相应于所接收的电磁能的第二信号脉冲。这些步骤重复进行，结果产生包括第一和第二信号脉冲的一个脉冲序列。然后对该脉冲序列进行处理以便确定该转盘的旋转圈数和旋转方向。对于某一特定的应用，该脉冲序列重复周期和脉冲持续时间将根据奈奎斯特速率取样定理，根据该转盘的最大转速以及它的反射(或透射)特性加以限定。
通过参考本说明书的其余部分和附图可以对本发明的特性和优点获得进一步理解。
图1描述了一种根据本发明所设计的适合于安装在一种标准电度表中的装置。
图2表示图1中该装置的各种视图。
图3是一种本发明的特殊实例的示意图。
图4是一个说明本发明一种特定实施例的工作的状态图。
图1是描述根据本发明的一种特定实施例设计的一个装置。基座10安装在一个标准电度表中。两个红外发射二极管(IRED)12安装在基座10中一个光二极管14的两侧。这两个IRED12使得从每个IRED发射的红外辐射能由转盘表面反射，并被光二极管14接收。来自每个1RED12的红外辐射能在转盘16底表面上稍微隔开的区域反射。这些区域沿着该盘的旋转方向分散。
从每个红外“光束”的扩展范围如图1中的α角所示距该光束中心大致为25°的夹角。图1也说明在所反射的红外能的入射角上右边的IRED存在着轻微的误差。实线18表示作为最佳安装角度的红外能光束的中心轴，而虚线20表示安装角度(β角)旋转4°时该光束的中心轴。最佳安装角度在该红外能光束和该垂线之间形成大约28.8°的角度。如图所示，即使有很大失调，该反射能束中心轴仅仅略微偏离光二极管14的中心。因此，这种配置保证，即使IRED中任何一个或两个都失调，也有足够强度的红外能将到达该光二极管以便使该安装能正常工作。图2a-2g表示图1中基座10的各种视图。
图3是本发明一个特定实施例的示意图。IRED12的阳极在微控制器U3的固件定时控制下由NPN驱动晶体管Q1和Q2通以脉冲。包括电阻R12，R18、R19和热敏电阻RT1的网络通过RT1来确定IRED12的驱动电流电平，该RT1为IRED输出辐照随温度变化提供补偿。光二极管14接收转盘反射的红外能形式的输入(未示出)。然后来自光二极管14的输出电流脉冲通过具有判定阈值的一个两级交流耦合工作放大器电路22来调节，所述判定阈值是由包括R27、R35和R29的分压器设定的。所产生的输出由嵌入在微控制器U3中的一个比较器来接收。该比较器输出对于高于判定阈值的幅值脉冲为逻辑高电平，而对于低于该判定阈值的低振幅脉冲为逻辑低电平。微控制器U3中的固件实现驱动脉冲的周期序列和处理、跟踪和解码包含在所反射的红外能中的功耗信息的状态机器逻辑。该固件确定盘的旋转方向，并将所产生的结果累加作为累加能量消耗的编码记录，结果与外部电度表的机电寄存器相匹配。
上述实施例的工作如下。IRED12依次周期地产生脉冲。脉冲时序是通过微控制器晶体振荡器13确定的，该晶体振荡器13相对于初始容差、温度是稳定的，并且老化范围在±500/1000000以内。对于最佳周期为976.6μS时所产生的周期范围为976.1μS～977.1μS，在每一周期期间，左边的IRED首先在第一个时间间隔接通。然后在第二时间间隔两个IRED脱离同步(hold-off)。在第三时间间隔右边的IRED接通。当最佳脉冲间隔宽度为17.29μS时，第一时间间隔宽度为17.28μS～17.30μS。当最佳脉冲间隔宽度为1.017μS时，第二时间间隔宽度为0～1.018μS。当最佳脉冲间隔宽度为19.33μS时，第三时间间隔宽度为19.32μS～19.34μS。最后，两个IRED在剩余周期内都脱离同步。当其他间隔为最佳宽度时，这个时间间隔宽度为939.0μS。当接收从有光泽的金属盘表面来的反射能时，光二极管14的输出将跟随产生高幅度输出电流脉冲的这一脉冲序列；而当从沿着盘的底部表面上的特定半径接收专门安装的红外吸收涂料条的反射能时，光二极管14将接收幅度低得多的脉冲。当该盘在正常功耗(即逆时针方向)期间旋转时，该条的前缘将经过左边IRED的反射区，然后经过右边IRED的反射区。当盘继续旋转时，该条的后缘将清除左边的IRED，然后清除右边的IRED，这样，其辐射的红外能再次从光泽金属盘表面向光二极管反射。由于是输入脉冲序列，出现在光二极管输出端的脉冲串具有由控制器认别和处理的限定好的特性。在不正常的条件(例如，干预)下，该表盘按相反方向或顺时针方向旋转。在这种情况下，辐射吸收条将首先经过右边的IRED。所产生的脉冲串特性和在正常条件下所产生的脉冲串特性有明显的不同。当这种事件发生时，由于可预测光二极管信号的变化，该控制器就能够确定该盘的旋转方向。
大家应该明白，本发明不仅可以按上述的反射方式来配置，而且可以按透射方式来配置。在这一实施例中，两个IRED应配置在该转盘的相对的两侧，IRED沿着该盘的旋转方向从空间上被分开。该盘不是具备辐射吸收条，而是应具备一个小孔，通过该孔，光二极管能感读来自IRED的红外脉冲。在透射实施例中，该固件可作适当地修改以便相对于上述的反射实施例以互补的方法对红外脉冲进行认别和处理。本发明也适于使用多个辐射吸收条或透射窗孔来识别该盘的部分旋转圈数。
还应明白，上述的间隔宽度只代表本发明的一个实施例。间隔宽度对于不同的应用可以在很大范围内变化。例如，不仅在两个IRED产生脉冲之间的间隔可以为零，而且从理论上讲这些脉冲还可以重叠。只要取样率选择成使微控制器能够确定一个特定的脉冲是从哪一个IRED来的，而不必在两个脉冲之间插入一个正间隔。最大取样率受诸如光电器件的上升和下降时间、放大器稳定时间以及有效的微控器时间量等因素的限制。
IRED脉冲的持续时间也可与上述实施例的特定值有较大的偏离。当确定某一特殊应用的间隔时间时需要考虑的因素是该转盘的特征量、该盘的反射(或透射)特性以及该盘的最大旋转速度。如上所述，脉冲串重复周期和脉冲宽度将根据取样定理奈奎斯特率，依赖这些因素加以限制。
在各类仪表的范围内该光二极管的正确工作、电子元件参数变化以及工作条件(例如，温度、安装调节以及20～30年工作寿命)取决于对判定阈值电平的适当选择。该阈值电平这样选择，使它处在最坏的情况下(即最小反射)的光泽金属盘表面和最坏情况下(即最大反射)的红外吸收条所估计的脉冲幅度之间。
图4是根据该固件描述(说明)图3实施例工作的一个状态图。当给本发明供给电源功率时，该电路从状态5开始。根据事件L和R状态转移出现了。事件L表示左边的IRED已被激励，并且一个超过判定门限值的光二极管输出脉冲被寄存起来。事件R表示等效于右边的IRED的事件。L/R表示两个事件L和R都出现了，而这个符号上面的横线条表示这个事件没有出现。在脉冲串不变化的地方状态也不发生变化。
由图4的状态图所表示的固件编码包含在附录A中。
当本发明通过参考它的特殊实施例被详细显示和说明时，对于熟悉该技术的人将懂得，在不脱离本发明的精神和范围内，对本发明在形式和细节上可以作上述的改变和其他的修改。
         附录A固件程序清单
Figure C9419231800171
Figure C9419231800191

Claims (37)

1.一种用来记录有关配置在第一结构中的转盘的角运动的信息的装置，所述盘具有对于电磁能有不同特性区域，所述装置包括：
用来在第一方向对着该盘发射第一电磁能脉冲序列的第一装置，该第一发射装置被安装在邻近该盘的第一侧面的第一结构上；
用来在第二方向对着该盘发射第二电磁能脉冲序列的第二装置，该第二发射装置安装在邻近该盘的第一侧面的第一结构上，并在该盘的旋转方向上与第一发射装置分开来，第一和第二方向是这样的方向，即第一和第二电磁能脉冲序列是从该盘的第一侧面的不同区域反射出来，这些区域沿着该盘的旋转方向被分开，特征在于
光敏装置安装在第一结构上，以便使该光敏装置能在某一单个点处接收来自第一和第二发射装置的电磁能脉冲，该光敏装置是用来根据所接收的电磁能脉冲产生一个信号；以及
一个与光敏装置相连接用来处理该信号以便测定该盘的旋转圈数和旋转方向的控制器，该控制器还用于对第一和第二电磁能脉冲的时序进行控制，使从第一发射装置发出的每一电磁能脉冲后都跟着一个从第二发射装置发出的电磁能脉冲。
2.权利要求1的装置，其中，光敏装置包括一个光二极管。
3.如权利要求1的装置，其中，第一和第二发射装置包括红外发射二极管，而电磁能脉冲包括红外能脉冲。
4.如权利要求1的装置，其中控制器与第一和第二发射装置连接以便控制第一和第二电磁能脉冲序列，从而产生第三电磁脉冲序列。
5.如权利要求4的装置，其中第三序列包括：
(1)一个来自第一发射装置的第一间隔的第一脉冲；
(2)一个来自第二发射装置的第三间隔的第二脉冲；
(3)一个在此期间第一和第二发射装置是关闭的第四间隔；以及
(4)重复包括步骤(1)～(3)的循环。
6.如权利要求5的装置，其中第一和第三间隔重叠。
7.如权利要求1的装置，其中，在该盘第一侧面的区域对于电磁能具有不同的反射特性，而由光敏装置所产生的信号的特征取决于该区的反射特性，电磁能脉冲是从该区被反射的。
8.如权利要求7的装置，其中，第一和第二发射装置以及光敏装置被安装在一个基座(housing)上，光敏装置被安装在基座上第一和第二发射装置之间，而基座被安装在第一结构中。
9.如权利要求8的装置，其中，第一结构是一种标准的电度表。
10.如权利要求9的装置，其中，旋转盘被安置在一个水平的平面上，而基座安装在转盘下面的标准电度表中。
11.如权利要求1的装置，其中，该转盘至少具有一个小孔，通过小孔，来自第一和第二发射装置的电磁能脉冲被发射出来。
12.如权利要求11的装置，其中，光敏装置与第一和第二发射装置不同，它是安装在该盘另一侧的第一结构上。
13.一个用来记录有关安置在第一结构中的转盘的角运动信息的装置，该盘的第一侧面具有对于电磁能有不同反射特性的若干区域，该装置包括：
一个安装在靠近该盘第一侧面的第一结构上的基座；
第一装置安装在该基座上用来在第一方向对着该盘发射第一电磁能脉冲序列；
第二装置安装在该基座上用来在第二方向对着该盘发射第二电磁能脉冲序列，第一和第二方向是这样的方向，使得第一和第二电磁能脉冲序列从该盘的第一侧面的不同区域反射出来，这些区域沿着该盘的旋转方向被分开，其特征在于
光敏装置安装在基座上，以便使该光敏装置在某一单个点处能接收来自第一和第二发射装置所反射的电磁能脉冲，根据所接收的电磁能脉冲产生一个信号，该信号的特征取决于反射电磁能脉冲的区域的反射特性；以及
一个连接到光敏装置的控制器，用来处理该信号以便确定该盘的转数和方向，该控制器还用于对第一和第二电磁能脉冲的时序进行控制，使从第一发射装置发出的每一电磁能脉冲后都跟着一个从第二发射装置发出的电磁能脉冲。
14.在权利要求13的装置中，该光敏装置包括一个光二极管。
15.在权利要求13的装置中，第一和第二发射装置包括红外发射二级管，而该电磁能脉冲包括红外能脉冲。
16.在权利要求13的装置中，控制器与第一和第二发射装置连接以便控制第一和第二电磁能脉冲序列，从而产生一个第三电磁能脉冲序列。
17.在权利要求16的装置中，第三脉冲序列包括：
(1)一个来自第一发射装置的第一时间间隔的第一脉冲；
(2)一个来自第二发射装置的第三间隔的第二脉冲；
(3)一个在这期间第一和第二发射装置关闭的第四间隔；以及
(4)重复包括步骤(1)～(3)的循环。
18.在权利要求17的装置中，第一和第三间隔相重叠。
19.在权利要求13的装置中，光敏装置安装在基座的第一和第二发射设置之间。
20.在权利要求13的装置中，第一结构是一个标准电度表，该基座适合于安装在此标准电度表中。
21.在权利要求20的装置中，该转盘放置在一个水平的平面上，而该基座是安装在该转盘下面的标准电度表中。
22.一种用来记录有关放置在第一结构中的转盘的角运动信息的装置，该盘至少具有一个电磁能可经过其中进行透射的小孔，该装置包括：
用来发射第一电磁能脉冲序列的第一装置，该第一发射装置被安装在靠近该盘的第一侧面的第一结构上；
用来发射第二电磁能脉冲序列的第二装置，该第二发射装置被安装在靠近该盘的第一侧面的第一结构上，并在该盘的旋转方向上与第一发射装置分开，其特征在于
光敏装置与第一和第二发射装置不同，它安装在该盘的另一侧面的第一结构上，以便使该光敏装置在某一单个点处能接收由第一和第二发射装置至少经过一个小孔所透射的电磁能脉冲，该光电装置是用于根据所接收的电磁能产生一个信号；以及
一个连接到该光敏装置用来处理该信号以便确定该盘的转数和方向的控制器该控制器还用于对第一和第二电磁能脉冲的时序进行控制，使从第一发射装置发出的每一电磁能脉冲后都跟着一个从第二发射装置发出的电磁能脉冲。
23.在权利要求22的装置中，该光敏装置由一个光二极管组成。
24.在权利要求22的装置中，第一和第二发射装置包括红外发射二极管，而该电磁能脉冲包括红外能脉冲。
25.在权利要求22的装置中，该控制器与第一和第二发射装置相连接以便控制第一和第二序列电磁能脉冲，从而产生一个第三电磁能脉冲序列。
26.在权利要求25的装置中，该第三序列包括：
(1)一个来自第一发射装置的第一间隔的第一脉冲；
(2)一个来自第二发射装置的第三间隔的第二脉冲；
(3)一个在这期间第一和第二发射装置关闭的第四间隔；以及
(4)重复包括步骤(1)～(3)的循环。
27.在权利要求26的装置中，第一和第三间隔相重叠。
28.在权利要求22的装置中，第一结构是一种标准的电度表。
29.一种获得有关一种转盘旋转的信息的方法，该盘的第一侧面具有对于电磁能有若干个具有不同反射特性的区域，该方法包括以下几个步骤：
(1)从该盘的第一侧面的第一发射装置反射电磁能；
(2)在光敏装置的第一点处接收从第一发射装置所反射的电磁能；
(3)通过该光敏装置产生相应于从第一发射装置所反射的电磁能的第一信号脉冲；
(4)从该盘的第一侧面的第二发射装置反射电磁能，其特征在于
(5)在第一点处由光敏装置接收从第二发射装置所反射的电磁能；
(6)通过该光敏装置产生一个相应于从第二发射装置所接收的电磁能的第二信号脉冲；
(7)重复步骤(1)～(6)，从而产生一个包括第一和第二信号脉冲的脉冲串；以及
(8)处理该脉冲串以便确定该盘的转数和旋转方向，并对第一和第二电磁能脉冲的时序进行控制，使从第一发射装置发出的每一电磁能脉冲后都跟着一个从第二发射装置发出的电磁能脉冲。
30.在权利要求29的方法中，该光敏装置包括一个光二极管。
31.在权利要求29的方法中，第一和第二发射装置包括红外发射二极管，而该电磁能包括红外能；
32.在权利要求29的方法中，第一和第二发射装置以及光敏装置安装在适于安装在一种标准电度表中的基座上。
33.在权利要求32的方法中，该转盘放置在一个水平的平面上，而该基座安装在该转盘下面的标准电度表中。
34.在权利要求29的方法中，该处理步骤是通过一个控制器来完成的，该控制器也给第一和第二发射装置发出脉冲，从而使第一和第二发射装置按某一特定序列发射电磁能。
35.在权利要求34的方法中，该序列包括：
(1)一个来自第一发射装置的第一间隔的第一脉冲；
(2)一个来自第二发射装置的第三间隔的第二脉冲；
(3)一个在期间第一和第二发射装置关闭的第四间隔；以及
(4)重复包括步骤(1)～(3)的循环。
36.在权利要求35的方法中，第一和第三间隔相重叠。
37.一种具有第一结构的电度表，它包括：
一个放置在第一结构内的转盘，该盘具有对电磁能有不同特性的若干区域；
第一装置用来在第一方向对着该盘发射第一电磁能脉冲序列，第一发射装置安装在邻近该盘的第一侧面的第一结构上；
第二装置用来在第二方向对着该盘发射第二电磁能脉冲序列，第二发射装置安装在邻近该盘的第一侧面的第一结构上，第一和第二方向是这样的方向，使得第一和第二电磁能脉冲序列在不同的区域从该盘的第一侧面反射出来，这些区域沿着该盘的旋转方向分开来，其特征在于
光敏装置安装在第一结构上，使得该光敏装置在某一单个点处能接收来自第一和第二发射装置的电磁能脉冲，该光敏装置是用来根据所接收的电磁能脉冲产生一个信号以及，
一个连接到该光敏装置的控制器，用来处理该信号以便确定该盘的转数和旋转方向，该控制器还用于对第一和第二电磁能脉冲的时序进行控制，使从第一发射装置发出的每一电磁能脉冲后都跟着一个从第二发射装置发出的电磁能脉冲。
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