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Dokumentenidentifikation DE102005020349B4 03.05.2007
Titel Verbrauchserfassungssystem
Anmelder Prof. Dr. Horst Ziegler und Partner GbR (vertretungsberechtigter Gesellschafter: Prof. Dr. Horst Ziegler 33100 Paderborn), 33100 Paderborn, DE
Erfinder Ziegler, Horst, Prof. Dr., 33100 Paderborn, DE
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 02.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005020349
Offenlegungstag 23.11.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse G04G 3/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G04G 7/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G04F 5/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01D 4/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01F 15/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 22/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G01R 11/57(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G08C 17/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verbrauchserfassungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Elektronische Schaltungsanordnungen mit einem ersten Zeittaktgeber, Zeitmessmittel zur Zeitakkumulation der Takte des ersten Zeittaktgebers zum Zwecke der Zeiterfassung, und einem zweiten Zeittaktgeber, dessen Frequenz stabiler ist als die des ersten Taktgebers, wobei der erste Zeittaktgeber im Wesentlichen für Dauerbetrieb und der zweite Zeittaktgeber für bedarfsweisen, insbesondere gelegentlichen Betrieb eingerichtet ist, sind in zahlreichen elektronischen Geräten vorhanden. Der erste Zeittaktgeber hat üblicherweise die Funktion, den Uhrzeittakt vorzugeben, so dass das mit der Schaltungsanordnung ausgestattete Gerät z.B. timergesteuerte Funktionen ausführen oder/und an einem Display die Uhrzeit anzeigen kann. Der zweite Zeittaktgeber dient bei betreffenden Geräten häufig zur schnellen Taktung von Mikrocontrollerbausteinen oder dgl.

Elektronische Schaltungsanordnungen dieser Art sind häufig auch Bestandteil von modernen Verbrauchsmessgeräten, insbesondere Heizkostenverteilern, Wasser-, Wärme-, Gas- oder Stromzählern, für deren interne Funktionen eine relativ genaue Uhrzeiterfassung erforderlich ist. Bei Verbrauchsmessgeräten wird die Uhrzeit z.B. für eine automatische Stichtagablesung benötigt, bei der der Verbrauchszählerstand zu vorgebbaren Zeitpunkten (z.B. um Mitternacht) intern gespeichert wird, so dass die tatsächliche Ablesung des zu diesem Stichzeitpunkt gespeicherten Verbrauchszählerstandes später und zeitunkritisch erfolgen kann. Dies ist insbesondere bei der Heizkostenerfassung und Heizkostenverteilung und sonstigen Submetering-Verbrauchserfassungsverfahren wichtig. Dabei sollten möglichst alle Zählerstände der betreffenden Verbrauchsmessgeräte zur gleichen Zeit erfasst werden, was bei einer einfachen manuellen Ablesung nicht ohne weiteres möglich ist. Viele moderne Verbrauchsmessgeräte haben ein Display, auf dem der gespeicherte Stichtag-Zählerstand angezeigt werden kann. Der mit den Verbrauchskosten belastete Nutzer hat somit eine Kontrolle, ob der zum Stichtag aktuelle Zählerstand erfasst und gespeichert wurde. Außerdem kann er bei verzögertem Eintreffen der Kostenabrechnung noch später, z.B. bis zu einem Jahr nach dem Stichtag, am Verbrauchsmessgerät nachkontrollieren, ob der auf der Abrechnung angegebene Verbrauchszählerstand mit dem Stichtagszählerstand übereinstimmt, so dass auf einen Ablesebeleg verzichtet werden kann.

Die Erfassung einer möglichst genauen Uhrzeit kann auch für weitere Gerätefunktionen erforderlich sein. So ist z.B. bei den bei Stromzählern üblichen Mehrtarifzählern eine genaue Zeiterfassung erforderlich.

Moderne Verbrauchsmessgeräte mit der Möglichkeit der Funkübertragung ihrer Zählerstandsdaten erfordern auch für den Funkbetrieb eine möglichst genaue interne Zeiterfassung. So kann der Funkbetrieb z.B. aus Gründen der Stromersparnis oder aus sonstigen Gründen während der Nacht eingeschränkt oder abgeschaltet werden. Zwar können bei bidirektionalen Funksystemen die Uhrzeit und Synchronisationsinformationen zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden, um eine Zeitabstimmung für den Funkbetrieb vorzunehmen; jedoch sind bidirektionale Funksysteme relativ teuer und haben einen vergleichsweise großen Strombedarf. Funkende elektronische Verbrauchsmessgeräte sollten möglichst mit Batteriebetrieb funktionieren, damit der Installationsaufwand am Messort möglichst gering ist. Diese Geräte sollten ferner möglichst wartungsfrei sein, so dass auch ein Auswechseln der Batterie über Jahre hinweg nicht erforderlich wird. Es kommt daher wesentlich darauf an, dass der elektrische Energiebedarf des Verbrauchsmessgerätes extrem gering gehalten wird. Aus dem vorstehend genannten Grund werden häufig unidirektional sendende Verbrauchsmessgeräte eingesetzt. Diese Verbrauchsmessgeräte senden ihre Verbrauchsmessinformationen und z.B. Geräteidentifikationsdaten nur gelegentlich zu bestimmten Zeitpunkten zu einem Empfangsgerät, welches einem Systemzeitprotokoll entsprechend zu den Sendezeiten der Verbrauchsmessgeräte empfangsbereit ist. Bei solchen batteriebetriebenen unidirektionalen Funksystemen sind die Sender häufig dazu eingerichtet, in periodischen oder in quasi-stochastischen Zeitabständen ihr betreffendes Funktelegramm auszusenden. Die meist ebenfalls batteriebetriebenen Empfänger verfügen über Informationen betreffend den nächsten oder gar alle zukünftigen nominellen Sendezeitpunkte der zugeordneten Funksender. Es reicht daher aus, dass die normalerweise im Betrieb großen Strombedarf aufweisenden Funkempfänger nur kurzzeitig für die Dauer eines jeweiligen Funktelegrammzeitfensters aktiviert sind. Ein solches Zeitfenster muss hinreichend groß sein, damit sichergestellt ist, dass das Funktelegramm vollständig empfangen wird. Da nicht von perfektem Gleichlauf der Uhren in den Funksendern und dem Funkempfänger ausgegangen werden kann, wird das jeweilige Empfangszeitfenster eine längere Dauer haben müssen, als es der Dauer eines Funktelegramms entspricht. Bei den derzeit üblichen Zeitunsicherheiten bzw. Uhrzeitfehlern zwischen Senderuhr und Empfängeruhr ist eine im Vergleich mit der Funktelegrammdauer bzw. Nutzempfangsdauer relativ große Empfangstoleranzzeit in dem Empfangszeitfenster vorzusehen. Der Empfänger ist somit auch in dieser Empfangstoleranzzeit aktiv geschaltet. Diese zusätzlichen Empfangsbereitschaftszeiten des Empfängers wirken sich in großem Maße auf die Lebensdauer der Batterie des Empfängers aus.

Da die Uhrzeiterfassung durch Integration (Zeitakkumulation) der Zeittakte der Uhrzeittaktgeber über lange Zeitdauern (bei Geräten mit Langzeitbatterien z.B. bis zu 10 Jahren) erfasst wird, sind Frequenzgenauigkeiten der Uhrzeittaktgeber im Bereich von wenigen ppm erforderlich (ein ppm entspricht ca. 5 Minuten in 10 Jahren). Da die Uhrzeitoszillatorschaltung (Uhrzeittaktgeber) während der gesamten Batterielebensdauer aktiv sein muss, ist ein extrem Strom sparender (Quarz-) Oszillator erforderlich. Als Uhrzeittaktgeber haben sich die von Quarzarmbanduhren her bekannten Stimmgabelquarze mit einer Nennfrequenz von 32768 Hz durchgesetzt. Ihr Dauerstromverbrauch liegt im Bereich weniger &mgr;A, wodurch die gewünschten Batterielebensdauern von über 10 Jahren ermöglicht werden. Diese konventionellen Uhrenquarze haben allerdings aus physikalischen Gründen eine recht hohe Temperaturabhängigkeit ihrer Resonanzfrequenz. Bei einer Armbanduhr spielt dies normalerweise keine Rolle, da die Uhr am Arm durch die menschliche Körpertemperaturregelung hinreichend gut thermostatisiert wird. Im Falle größerer Temperaturschwankungen kann der Effekt der recht starken Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des Uhrenquarzes zu intolerablen Fehlern bei der Zeiterfassung führen. Im Falle der Heizkostenerfassung mit einem Verbrauchsmessgerät am Heizkörper kann der Uhrenquarz des Verbrauchsmessgerätes erheblichen Temperaturunterschieden ausgesetzt sein. Der unvermeidliche Temperaturgang sowie die Fertigungstoleranzen und Alterungseffekte des Uhrenquarzes können zu Uhrzeitfehlgängen von mehreren Stunden führen, was für viele Anwendungen intolerabel ist.

Höherfrequente Spezialquarze mit Resonanzfrequenzen im MHz-Bereich lassen sich dagegen als sogenannte Dickenscherschwinger realisieren, die sich bei bestimmten kristallografischen Orientierungen ihrer Schnitte (z.B. AT-Schnitt) durch extrem kleine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz auszeichnen. Allerdings ist der Strombedarf von Quarzoszillatoren mit so hoher Frequenz groß. Insgesamt machen also die einander gegenläufigen Forderungen eines extrem niedrigen Stromverbrauchs, einer extrem hohen Frequenzgenauigkeit und niedriger Kosten das vorstehend geschilderte Problem der genauen Zeiterfassung schwierig lösbar.

Es sind bereits Versuche unternommen worden, bei Quarzoszillatoren mit einem 32768-Hz-Uhrenquarz die Temperaturabhängigkeit der Quarzresonanzfrequenz durch schaltungstechnische Maßnahmen zu kompensieren, insbesondere durch Einsatz von Kondensatoren mit temperaturabhängigen Kapazitäten. Derartige schaltungstechnische Maßnahmen haben sich aber als sehr aufwendig und teuer erwiesen. Hinzu kommt, dass eine schaltungstechnisch temperaturkompensierte Oszillatorschaltung einen erhöhten Strombedarf aufweist.

Ein Verbrauchserfassungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der DE 102 38 692 A1 bekannt und umfasst Zeitmessmittel, welche auf Grundlage eines Taktsignals eines Zeittaktgebers eine Zeiterfassung durchführen, um die Zeitpunkte für die Übertragung von Messwerten der Verbrauchsmessgeräte zu bestimmen. Zur Einsparung von Energie werden sowohl die Verbrauchsmessgeräte als auch ein Funkempfänger des Verbrauchserfassungssystems außerhalb der Sende- bzw. Empfangszeitintervalle in einen Pausenmodus geschaltet. Die Bestimmung dieser Sende- bzw. Empfangszeitintervalle erfolgt auf Grundlage der Taktsignale des ersten Zeittaktgebers, für welcher ein Uhren-Schwingquarz eingesetzt wird, der dementsprechend für einen Dauerbetrieb eingerichtet ist.

Aus der DE 42 27 134 A1 ist eine Realzeituhr für die Verwendung in einem Funkgerät bekannt. Die Realzeituhr umfasst einen ersten Quarzoszillator mit relativ niedriger Genauigkeit und relativ niedrigem Energieverbrauch sowie einen zweiten Quarzoszillator mit höherer Genauigkeit und höherem Energieverbrauch. Zur Korrektur von Gangabweichungen der auf einer Ausgabe des ersten Quarzoszillators beruhenden Zeitausgabe der Realzeituhr ist in der bekannten Vorrichtung vorgesehen, in bestimmten Kontrollzeitabständen durch Zuschaltung des zweiten, genaueren Quarzoszillators eine Korrektur des Ausgabewerts des ersten Quarzoszillators durchzuführen.

Die Korrektur von Gangabweichungen in Armbanduhren, Kleinuhren, Taschenuhren usw. ist ferner in der US 4 443 116 beschrieben.

Zur weiteren Illustration des technischen Hintergrunds kann ferner auf die EP 0 683 443 A2, die US 6 351 223 B1, die DE 100 29 421 A1, die US 2003/0076747 A1 sowie die DE 101 12 373 A1 verwiesen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbrauchserfassungssystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei äußerst geringem Stromverbrauch seiner elektronischen Schaltungsanordnungen eine hochgenaue Zeiterfassung auch bei Einsatz in Umgebungen mit stark schwankenden Temperaturen sowie auch bei längerem Betrieb gewährleistet und preisgünstig realisierbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verbrauchserfassungssystem nach Anspruch 1 bereitgestellt. In dem erfindungsgemäßen Verbrauchserfassungssystem sind die elektronischen Schaltungsanordnungen der Verbrauchsmessgeräte dazu eingerichtet,

  • a) den zweiten Zeittaktgeber in Zeitabständen für kurze Aktivierungsphasen zu betreiben,
  • b) während der kurzen Aktivierungsphasen die Frequenz, die Periodendauer oder eine daraus ableitbare Größe als ein Taktmaß des ersten Zeittaktgebers auf der Basis eines vom zweiten Zeittaktgeber abgeleiteten Vergleichszeitmaßes zu erfassen und
  • c) bei Abweichung des erfassten Taktmaßes von einem Sollwert die mittels der Zeitmessmittel akkumulierte Zeit in Abhängigkeit vom Maß der Abweichung zu korrigieren.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, den zweiten Zeittaktgeber mit höherer Frequenzstabilität, aber üblicherweise auch mit größerem Strombedarf in periodischen Zeitabständen oder ggf. quasi-stochastischen Zeitabständen kurzzeitig zu aktivieren und in diesen Aktivierungsphasen dessen stabile Taktfrequenz bzw. Periodendauer als Vergleichszeitmaßstab für das Taktmaß des ersten Zeittaktgebers (Uhrzeittaktgebers) zu nutzen. Im Falle einer Abweichung des Taktmaßes des ersten Zeittaktgebers von einem durch den Vergleichszeitmaßstab des zweiten Zeittaktgebers bestimmten Sollwert soll die elektronische Schaltungsanordnung ihre Zeitmessmittel entsprechend vorstellen oder nachstellen, d.h. die akkumulierte Zeit in Abhängigkeit vom Maß der Abweichung korrigieren.

Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht es, einen vergleichsweise preiswerten Uhrenquarzoszillator mit z.B. 32768 Hz als ersten Zeittaktgeber und somit als Uhrzeittaktgeber für die Zeiterfassung zu verwenden, um somit der Forderung nach möglichst geringem Stromverbrauch bei der Uhrzeiterfassung nachzukommen. Der zweite Zeittaktgeber, bei dem es sich z.B. um einen AT-Schnitt-HF-Quarzoszillator handeln kann, kommt bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung nur bedarfsweise und normalerweise jeweils kurzzeitig zum Einsatz, so dass dessen größerer Strombedarf über längere Zeiträume gemittelt nicht ins Gewicht fällt. Somit hindert auch eine relativ große Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz des ersten Zeittaktgebers nicht daran, die Systemuhrzeit der Schaltungsanordnung hochgenau zu erfassen. Zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltungsanordnung ist gegenüber den gattungsgemäßen Schaltungsanordnungen kein oder allenfalls ein äußerst geringer Schaltungsmehraufwand erforderlich. Die Schaltung lässt sich somit ohne nennenswerte Mehrkosten realisieren. Da der Stromverbrauch nach wie vor gering ist, kann die erfindungsgemäße Schaltung mit einer Batterie betrieben werden, wobei Langzeitbetrieb über viele Jahre möglich ist.

Vorzugsweise entspricht die Frequenz des zweiten Zeittaktgebers mindestens dem 10-Fachen, insbesondere mindestens dem 100-Fachen der Frequenz des ersten Zeittaktgebers. Bei einem Stimmgabel-Uhrenquarz mit einer Nennfrequenz von 32768 Hz als erstem Taktgeber kommt z.B. ein 4MHz-AT-Schnitt-Quarzoszillator als zweiter Zeittaktgeber in Frage. Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung auch andere Frequenzverhältnisse möglich. Das frequenzbestimmende Element des zweiten Zeittaktgebers sollte jedoch vorzugsweise stets ein HF-Quarz mit extrem geringer Temperaturabhängigkeit seiner Resonanzfrequenz sein.

Ein Vergleich zwischen dem Taktmaß des ersten Zeittaktgebers und dem betreffenden Vergleichstaktmaß des zweiten Zeittaktgebers kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung auf die Weise erfolgen, dass über die Zeitdauer einer vorbestimmten Anzahl von Takten des ersten Zeittaktgebers die Anzahl der Takte des zweiten Zeittaktgebers gezählt wird, wobei im Falle einer Taktzahlabweichung zwischen dem Zählergebnis und einem Sollwert die mittels der Zeitmessmittel akkumulierte Zeit in Abhängigkeit von der Taktzahldifferenz korrigiert wird.

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, während der kurzen Aktivierungsphasen des zweiten Zeittaktgebers die Frequenz des ersten Zeittaktgebers innerhalb eines einer bestimmten Anzahl der Takte des zweiten Zeittaktgebers entsprechenden Zeitintervalls zu messen und im Falle einer Abweichung des Frequenzmesswertes von einem Sollwert die mittels der Zeitmessmittel akkumulierte Zeit in Abhängigkeit von der Abweichung zu korrigieren.

Die Korrektur kann darin bestehen, dass in dem Zeitwertakkumulator die akkumulierte Taktzahl um eine entsprechende Anzahl erhöht oder erniedrigt wird, so dass sich aus dem Produkt der akkumulierten Taktzahl mal einer Nennperiodendauer des ersten Zeittaktgebers die korrigierte Zeit ergibt. Dies kann die absolute Uhrzeit oder ggf. die korrekte Dauer eines Zeitintervalls sein.

Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass der zweite Zeittaktgeber innerhalb der elektronischen Schaltungsanordnung üblicherweise nicht nur die Funktion eines gelegentlichen Referenzzeitgebers hat, sondern als Taktgeber für einen Mikrocontroller oder dgl. fungiert, welcher auch nur gelegentlich in Zeitabständen zum Einsatz kommt.

Gemäß der Erfindung umfasst die elektronische Schaltungsanordnung ferner eine Funkkommunikationsschaltung, insbesondere Funksendeschaltung für unidirektionalen Funkbetrieb, wobei der zweite Taktgeber dieser Funkkommunikationsschaltung als funkfrequenzbestimmendes Element zugeordnet ist.

Das Verbrauchserfassungssystem der Erfindung umfasst auch ein Verbrauchsmessgerät, wie etwa ein Heizkostenverteiler, ein Wasserzähler, ein Wärmezähler, ein Gaszähler oder ein Stromzähler, wobei das Verbrauchsmessgerät durch eine elektronische Schaltungsanordnung der oben beschriebenen Art gekennzeichnet ist. Die Zeitmessmittel bilden einen Systemzeitgeber für die Bestimmung von Messzeitpunkten oder/und für die Bestimmung von Zeitpunkten für die Übertragung von Messwerten des Verbrauchsmessgerätes.

Dabei enthält das Verbrauchsmessgerät eine Funksendeeinrichtung für die gelegentliche Funkübertragung von Verbrauchsmessergebnissen oder daraus abgeleiteten Größen, wobei der zweite Zeittaktgeber als sendefrequenzbestimmendes Element der Funksendeeinrichtung vorgesehen ist. Vorzugsweise ist das funkende Verbrauchsmessgerät für unidirektionalen Funkbetrieb eingerichtet, wobei jedoch Varianten des Verbrauchsmessgeräts mit der Möglichkeit des Funkempfangs im Rahmen der Erfindung nicht ausgeschlossen sein sollen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verbrauchserfassungssystem mit mehreren Verbrauchsmessgeräten, die einen jeweiligen Funksender umfassen, und wenigstens einem Funkempfänger, wobei die Verbrauchsmessgeräte dazu eingerichtet sind, Verbrauchswertinformationen in ihnen jeweils zugeordneten Zeitintervallen zum Funkempfänger zu senden, und wobei der Funkempfänger so gesteuert ist, dass er sich während der Sendezeitintervalle von Verbrauchsmessgeräten in einen Empfangsbereitschaftsmodus befindet und sich außerhalb der Sendezeitintervalle der Verbrauchsmessgeräte zumindest zeitweise in einem Empfangspausenmodus einstellt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Konzeptes der Zeiterfassung können die Empangsbereitschaftszeiten des Funkempfängers in Strom sparender Weise minimiert werden. Auch der Funkempfänger kann eine elektronische Schaltungsanordnung nach der Erfindung enthalten, wobei deren Zeitmessmittel vorzugsweise einen Systemzeitgeber für den Funkempfänger bilden und der zweite Zeittaktgeber insbesondere als empfangsfrequenzbestimmendes Element des Funkempfängers vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

1 zeigt in schematischer und vereinfachter Weise eine elektronische Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

2a zeigt ein Frequenz-Zeitdiagramm mit einem angenommenen Frequenzverlauf mit Drift für den ersten Zeittaktgeber (f1) und einem stabilen Frequenzverlauf für den zweiten Zeittaktgeber (f2).

2b zeigt ein Zeitdiagramm, in dem qualitativ der aufgrund der nicht stabilen Frequenz des ersten Zeittaktgebers entstehende Fehler bei der akkumulierten Zeit und die Wirkung der Korrektur angedeutet ist.

3 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer Betriebsweise einer elektronischen Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

4 zeigt schematisch ein Verbrauchserfassungssystem nach der Erfindung.

5 zeigt Zeitdiagramme zur Erläuterung des Funkbetriebs des Verbrauchserfassungssystems nach 4.

Bei der Schaltung gemäß 1 ist ein Uhrenquarz 2 als frequenzbestimmendes Element einer Zeitmessschaltung mit einem Zeittaktakkumulator 4 vorgesehen. Bei dem Uhrenquarz 2 kann es sich um einen üblichen Stimmgabelquarz mit einer Nennfrequenz von 32768 Hz handeln. Aufgrund seiner relativ großen Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz wird diese von dem Nennwert regelmäßig abweichen, wenn die Schaltung einer gegenüber normaler Raumtemperatur erhöhten oder erniedrigten Temperatur ausgesetzt wird. Eine Abweichung der tatsächlichen Frequenz von der Nennfrequenz kann überdies durch Alterungseffekte und Exemplarstreuungen hervorgerufen werden. Die Frequenzabweichung bedeutet, dass die Zeitakkumulatorschaltung 4 je nach Temperatur mehr oder weniger als 32768 Nennperioden pro tatsächlicher Sekunde zählt, was zu einem Zeiterfassungsfehler führt. Liegt die Frequenz des Uhrenquarzes 2 über der Nennfrequenz, so läuft die durch die Zeitmessschaltung repräsentierte Uhr zu schnell und geht somit vor. Liegt die Frequenz des Uhrenquarzes 2 unter seiner Nennfrequenz, so geht die Uhr entsprechend nach. Die Zeitakkumulatorschaltung 4 zählt somit im ersteren Fall zu viele Takte pro Echtzeiteinheit und im zweiten Fall zu wenig Takte pro Echtzeiteinheit.

Die Schaltungsanordnung umfasst u. a. noch einen Mikrocontroller 6, dem als Funktionstaktgeber ein Hochfrequenzoszillator zugeordnet ist. Als frequenzbestimmendes Element des Hochfrequenzoszillators ist ein Quarz 8 mit guter Frequenzstabilität und somit geringer Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz vorgesehen. Zwischen der Zeitakkumulatorschaltung 4 für den Uhrenquarz 2 und dem Mikrocontroller 6 können Daten ausgetauscht werden. So kann der Zeitakkumulator 4 über die Leitung 10 eine den Mikrocontroller 6 in Betrieb setzende Aktivierungsinformation übertragen, so dass der Mikrocontroller 6 aus einem Pausenzustand heraus in Betrieb gesetzt wird, um Schaltungsfunktionen auszuführen.

Eine solche Schaltungsfunktion ist die Bereitstellung einer Vergleichszeitbasis für die Uhrzeitkorrektur der Zeitakkumulatorschaltung 4. Als einzige Stromquelle weist die Schaltung nach 1 eine Langzeitbatterie 12 auf.

Zur Erläuterung des Zeitkorrekturbetriebs der Schaltung nach 1 wird nachstehend auch auf 3 Bezug genommen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Taktverläufe in 3 nicht zeitmaßstabsgerecht sind. 3 zeigt in dem Zeitdiagramm a) einen Zeitabschnitt ti zwischen zwei aufeinander folgenden Zeitkorrekturereignissen. Es sei der Einfachheit halber angenommen, dass jedes Mal nach Ablauf eines Zeitintervalls ti erneut eine Korrekturoperation durchgeführt wird. Es sei für den Beispielsfall ferner angenommen, dass das Zeitintervall ti 1024 s ≅ 17 min betragen soll, und zwar entsprechend der Zeiterfassung durch die Zeitakkumulatorschaltung 4. Es sei ferner angenommen, dass der Uhrenquarz 2 eine Nennfrequenz von 32768 Hz hat und dass die stabile Frequenz des HF-Quarzes 8 4 MHz beträgt.

Die Zeitakkumulatorschaltung 4 gibt zu den in Diagramm a) der 3 mit X gekennzeichneten Zeitpunkten ein Wecksignal an den Mikrocontroller 6 ab, um ihn dazu zu veranlassen, ein Zählprogramm auszuführen und entsprechend diesem Zählprogramm eine vorbestimmte Anzahl von Takten T1 (vgl. Diagramm b) in 3) zu zählen. Im Beispielsfall seien dies exakt 8192 Takte. Für den Fall, dass der Uhrenquarz 2 stabil mit seiner Nennfrequenz von 32768 Hz schwingen sollte, so dauerten die 8192 Takte exakt 250 ms. Die Dauer der Abzählung von 8192 Takten des ersten Taktgebers ist in 3 im Diagramm a) mit tc bezeichnet.

Für die folgenden Betrachtungen bedeutet tcsoll die Zeit tc für den Fall des korrekten Uhrenganges entsprechend der Nennfrequenz des Uhrenquarzes 2. Wie schon angesprochen, beträgt tcsoll im Beispielsfall 250 ms. tcist steht für die tatsächliche Dauer von 8192 Perioden des üblicherweise nicht exakt mit seiner Nennfrequenz schwingenden Uhrenquarzes 2.

Die Auszählung der 8192 Perioden dient dazu, ein Zeitintervall vorzusehen, in dem der Mikrocontroller 6 die Anzahl der Takte T2 des Zeittaktgebers 8 mit stabiler Frequenz zählt.

Bei korrektem Uhrengang der Zeitakkumulatorschaltung 4 würden in das 250 ms-Zeitintervall tcist exakt 1 × 106 Takte T2 passen. In dem realistischeren Fall, dass der Uhrenquarz 2 mit einer von seiner Nennfrequenz abweichenden Frequenz schwingt und tcist somit vom Sollwert tcsoll = 250 ms abweichen wird, ergibt sich auch bei der Zählung der Takte T2 innerhalb des sich durch die 8192 Takte T1 ergebenden Zeitintervalls tcist ein von n2soll = 1 × 106 abweichender Zählwert n2ist.

Mit n2soll × T2 = tcsoll n2ist × T2 = tcist mit T2 als Periodendauer des Signals des zweiten Taktgebers 8 ergibt sich für den relativen Zeitfehler: &Dgr;trel = (tcist – tcsoll)/tcist = (n2ist – n2soll)/n2ist = (1 – n2soll/n2ist).

Auf das gesamte Zeitintervall ti zwischen zwei Korrekturereignissen angewandt, beträgt der absolute Zeitfehler: &Dgr;t = &Dgr;trel × ti = (1 – n2soll/n2ist) × ti.

Je nachdem, ob der relative Zeitfehler negativ ist (n2ist > n2soll – die Uhr geht nach) oder ob der relative Fehler negativ ist (n2ist < n2soll – die Uhr geht vor), sind der Zeitakkumulatorschaltung 4 zur Zeitkorrektur rechnerisch Zeittakte zum Zählstand zuzuaddieren oder vom Zählstand abzuziehen. Diese Zähl- und Rechenfunktionen werden von dem Mikrocontroller 6 ausgeführt bzw. von diesem kontrolliert.

Für den Fall, dass der Uhrenquarz 2 mit einer konstanten Abweichung von seiner Nennfrequenz schwingen sollte, lässt sich die Anzahl der Takte zur Berichtigung der Zeitakkumulation nx wie folgt berechnen: nx = ti × (1 – n2soll/n2ist)/T1, worin T1 die Nennperiodendauer der Takte des Uhrenquarzes 2 bezeichnet.

In dem Beispielsfall mit tcsoll = 250 ms und n2soll = 1 × 106 bedeutet eine Abweichung von +/– 1 im Zählergebnis n2ist vom Sollwert n2soll einen relativen Fehler von 1 ppm.

Entsprechend dem Zeitabstand ti zwischen zwei Korrekturoperationen von 1024 Sekunden ergibt sich für den absoluten Zeitfehler der Wert 1,024 ms und somit für die Anzahl der Takte zur Berichtigung der Zeitakkumulation der Wert nx = +/– 33 Takte T1. Dies bedeutet, dass für jeden innerhalb der Zeitdauer von 8192 Takten T1 über den Sollwert hinausgehend gezählten Takt des zweiten Zeittaktgebers 8 die akkumulierte Uhrzeit um 33 Takte T1 vorgestellt werden muss, d.h., dass 33 Takte zu dem Zeitzählerstand der Zeitakkumulatorschaltung 4 hinzuaddiert werden müssen. Nach einer jeweiligen Korrekturoperation kann der Mikrocontroller 6 wieder in den Pausenzustand übergehen.

Für das vorstehend genannte Beispiel wurde die idealisierende Annahme gemacht, dass die Frequenz des ersten Zeittaktgebers, also des Uhrenquarzes 2, innerhalb des Zeitabstandes ti zwischen zwei Korrekturoperationen nicht driftet, sondern nur eine konstante Abweichung vom Nennwert aufweist.

Realistischer ist die Annahme, dass sich die Frequenz über den Zeitabstand ti zwischen zwei Korrekturoperationen näherungsweise linear mit der Zeit ändert. In diesem Fall ist der Zusammenhang zwischen der Änderung der akkumulierten Zeit als Integral über die Takte T1 quadratisch. Der (akkumulierte) Zeitfehler seit der letzten Zeitkorrekturoperation wird daher (als Mittelwert über eine zeitlich linear angenommene) Frequenzänderung nur gerade der Hälfte des Zeitfehlers entsprechen, der sich aus der obigen Betrachtung konstanter Frequenzabweichung ergeben würde. Für das vorstehend erläuterte Beispiel bedeutet dies, dass der Wert der Zeitkorrektur nx zu vermindern, insbesondere zu halbieren ist, so dass in dem Beispiel pro mehr gezähltem HF-Takt T2 nur 16–17 Takte T1 zum Zeitakkumulatorstand zu addieren sind und pro zu wenig gezähltem HF-Takt T2 16–17 Takte T1 vom Zeitakkumulatorstand zu subtrahieren sind.

In 2a ist in einem f-t-Diagramm der Fall der sich linear mit der Zeit ändernden Frequenz f1 des Uhrenquarzes 2 – und die im Vergleich damit stabile Frequenz f2 des Taktgebers 8 angedeutet.

In 2b ist qualitativ der sich aufgrund der linearen Änderung der Frequenz f1 ergebende Zeitakkumulationsfehler &Dgr;t (stark übertrieben) eingezeichnet. In 2b ist zum Zeitpunkt ti auch die Korrekturwirkung erkennbar, so dass dort die akkumulierte Zeit der tatsächlichen Zeit tasoll angeglichen wird.

Die von dem Uhrzeitquarz 2 und der Zeitakkumulatorschaltung 4 erfasste Uhrzeit wird somit bei jeder Korrekturoperation bedarfsweise berichtigt, so dass der Zeitfehler der Schaltungsanordnung über lange Zeit äußerst gering gehalten werden kann, obwohl als zeittaktgebendes Element ein handelsüblicher preiswerter und Strom sparender Uhrenquarz 2 Verwendung findet.

Für den Fall, dass die Schaltungsanordnung Bestandteil eines unidirektional funkenden Verbrauchszählers eines Verbrauchsmesssystems ist, kann aufgrund der genaueren Zeiterfassung das für den Funkempfang von dem Verbrauchszähler zu reservierende Zeitfenster des Empfängers entsprechend schmaler sein, so dass der Empfänger entsprechend kürzer in Empfangsbereitschaft sein muss. Sowohl die Batterie des Verbrauchszählers als auch die Batterie des Empfängers können in diesem Sinne geschont werden. Diesbezüglich wird auf 4 und 5 verwiesen. 4 zeigt schematisch ein Verbrauchserfassungssystem mit Verbrauchsmessgeräten V1–V4, welche in der Lage sind, ihren Zählerstand und ihre Zählernummer (Identifikation) per Funk zu einem Empfänger E unidirektional zu übertragen. Bei den Verbrauchsmessgeräten V1–V4 kann es sich z.B. um Heizkostenverteiler in verschiedenen Wohnungen eines Hauses handeln, wobei der Empfänger z.B. im gemeinsamen Treppenhaus vorgesehen ist, so dass die im Empfänger E gespeicherten Informationen über die Zählerstände der Verbrauchsmessgeräte V1–V4 ggf. von einer autorisierten Person ausgelesen werden können, ohne dass diese Person die Wohnungen zu betreten hat, in denen die Verbrauchsmessgeräte V1–V4 installiert sind.

Die Geräte V1–V4 senden ihre Funktelegramme zu bestimmten, jedoch unterschiedlichen Zeiten zum Empfänger E. Jedes der Verbrauchsmessgeräte V1–V4 enthält eine Schaltungsanordnung der vorstehend erläuterten Art, so dass davon ausgegangen werden kann, dass eine sehr präzise Zeiterfassung bzw. Zeitvorgabe für den Mess- und Sendebetrieb in den Verbrauchsmessgeräten V1– V4 stattfindet.

In 5 sind in Zeitdiagrammen die Sendezeitintervalle der Verbrauchsmessgeräte V1–V4 schematisch durch Rechteckimpulse S angedeutet. Der Empfänger E enthält ebenfalls eine genau gehende Uhr sowie Informationen über die Sendezeiten der Geräte V1–V4 und ist so gesteuert, dass er die ebenfalls in 5 angedeuteten Zeitfenster Z für den Funkempfang öffnet, wobei diese Zeitfenster Z so bemessen sind, dass sie mit einem jeweiligen Sendeereignis S der Verbrauchszähler V1–V4 zeitlich zusammenfallen. Aufgrund der erfindungsgemäß verbesserten Zeiterfassungsgenauigkeit können die Zeitfenster des Empfängers E zeitlich sehr kurz gehalten werden, so dass auf diese Weise ein beachtlicher Stromspareffekt ausgenutzt und Langzeitbatteriebetrieb des Empfängers möglich wird. Zwischen aufeinander folgenden Funktelegrammen eines Gerätes V1–V4 kann eine lange Pause liegen.

Zu dem obigen Beispiel sei noch hinzugefügt, dass bei einer Betriebsdauer des HF-Quarzoszillators 8 und des Mikrocontrollers 6 oder seines Zählregisters von z.B. 250 ms in Abständen von 1024 s (entspricht einem Duty Cycle von 1/4 Promille) der mittlere Strommehrbedarf selbst bei einem Betriebsstrom von 4 mA für Oszillator 8 und Mikrocontroller 6 nur 4 mA/4000 = 1 &mgr;A pro 1024 s beträgt und somit sehr gering ist.

Andererseits ist eine größere periodische Temperaturänderung innerhalb von 1024 s (ca. 17 min) bei Verbrauchsmessgeräten, wie etwa Heizkostenverteilern, sehr unwahrscheinlich. Eine einmalige oder seltene große Temperaturänderung führt dabei nur zu einem kleinen einmaligen Zeitfehler im ms-Bereich. Selbst eine periodische (aber zur Korrekturoperationsfrequenz asynchrone) Temperaturänderung ergibt nur kleine Zeitfehler. Eine weitere Verbesserung auch für den Fall einer periodischen Temperaturänderung (wie z.B. im Falle eines Heizkostenverteilers beim Tageszyklus eines Heizkörpers mit außentemperaturgeführter Vorlauftemperatur) könnte darin bestehen, dass die Korrekturoperationen nicht in festen periodischen Abständen, sondern in stochastischen oder in pseudo-stochastischen Zeitabständen erfolgen. Dann akkumuliert sich selbst bei einer periodischen Temperaturänderung ein durch einen nur seltenen Frequenzvergleich denkbarer Zeitfehler nicht systematisch, sondern nur noch stochastisch.

Selbstverständlich können die Korrekturoperationen von den oben genannten Beispielen abweichen und insbesondere Ergebnisse aufeinander folgender Korrekturvergleichsmessungen miteinander verknüpft werden, etwa um das Korrekturergebnis zu verbessern oder ggf. den Akkumulatorzählerstand schon extrapolierend im Hinblick auf ein folgendes Zeitintervall korrigierend zu ändern.

Aus stromökonomischen Gründen sollte zumindest der zweite Zeittaktgeber 8 ein Signal mit einem möglichst kleinen Anzeitbruchteil (Duty Cycle) liefern, insbesondere mit einem Anzeitbruchteil < 10 % und vorzugsweise < 1 %.


Anspruch[de]
Verbrauchserfassungssystem umfassend mehrere Verbrauchsmessgeräte (V1–V4) und wenigstens einen Funkempfänger (E),

wobei die Verbrauchsmessgeräte (V1–V4) dazu eingerichtet sind, Verbrauchswertinformationen in ihnen jeweils zugeordneten Zeitintervallen zum Funkempfänger (E) zu senden, und wobei der Funkempfänger (E) so gesteuert ist, dass er sich während der Sendezeitintervalle (S) von Verbrauchsmessgeräten (V1–V4) in einem Empfangsbereitschaftsmodus befindet und sich außerhalb der Sendezeitintervalle der Verbrauchsmessgeräte zumindest zeitweise in einen Empfangspausenmodus einstellt,

wobei die Verbrauchsmessgeräte (V1–V4) eine elektronische Schaltungsanordnung aufweisen, welche umfasst:

– einen ersten Zeittaktgeber (2), welcher im Wesentlichen für Dauerbetrieb eingerichtet ist,

– Zeitmessmittel (4) zur Zeitakkumulation der Takte des ersten Zeittaktgebers (2) zum Zwecke der Zeiterfassung,

– eine Mikrocontrollerschaltung (6) und

– eine Funkkommunikationsschaltung zum Senden der Verbrauchswertinformationen, und

wobei die Zeitmessmittel (4) einen Systemzeitgeber für die Bestimmung von Messzeitpunkten oder/und für die Bestimmung von Zeitpunkten für die Übertragung von Messwerten des Verbrauchsmessgerätes bilden,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Schaltungsanordnung einen zweiten Zeittaktgeber (8) umfasst, dessen Frequenzstabilität besser ist als die des ersten Zeittaktgebers,

dass die Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist,

a) den zweiten Zeittaktgeber (8) in Zeitabständen für kurze Aktivierungsphasen (tc) zu betreiben,

b) während der kurzen Aktivierungsphasen (tc) die Frequenz, die Periodendauer oder eine daraus ableitbare Größe als ein Taktmaß des ersten Zeittaktgebers (2) auf der Basis eines vom zweiten Zeittaktgeber (8) abgeleiteten Vergleichszeitmaßes zu erfassen und

c) mittels der Mikrocontrollerschaltung (6) bei Abweichung des erfassten Taktmaßes von einem Sollwert die mittels der Zeitmessmittel (4) akkumulierte Zeit in Abhängigkeit vom Maß der Abweichung zu korrigieren,

dass der zweite Zeittaktgeber (8) der Mikrocontrollerschaltung (6) als Taktgeber zugeordnet ist und der Funkkommunikationsschaltung als funkfrequenzbestimmendes Element zugeordnet ist und

dass das Zeitmessmittel (4) dazu eingerichtet ist, eine Aktivierungsinformation an die Mikrocontrollerschaltung (6) zu senden, um den zweiten Zeittaktgeber (8) für die kurzen Aktivierungsphasen (tc) oder/und zum Senden der Verbrauchswertinformationen in Betrieb zu setzen.
Verbrauchserfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des zweiten Zeittaktgebers (8) um mindestens eine, insbesondere zwei Größenordnungen größer ist als die Frequenz des ersten Zeittaktgebers (2). Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzbestimmende Element des ersten Zeittaktgebers (2) ein Uhrenquarz ist. Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das frequenzbestimmende Element des zweiten Zeittaktgebers (8) ein HF-Quarz mit extrem geringer Temperaturabhängigkeit seiner Resonanzfrequenz ist. Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist,

– über die Zeitdauer einer vorbestimmten Anzahl von Takten des ersten Zeittaktgebers (2) die Anzahl der Takte des zweiten Zeittaktgebers (8) zu zählen,

– die Taktzahlabweichung zwischen dem Zählergebnis und einem Sollwert zu ermitteln und

– die mittels der Zeitmessmittel akkumulierte Zeit in Abhängigkeit von der Taktzahldifferenz zu korrigieren.
Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist,

– während der kurzen Aktivierungsphasen des zweiten Zeittaktgebers (8) die Frequenz des ersten Zeittaktgebers (2) innerhalb eines einer bestimmten Anzahl der Takte des zweiten Zeittaktgebers (8) entsprechenden Zeitintervalls zu messen,

– die Abweichung des Frequenzmesswertes von einem Sollwert zu ermitteln und

– die mittels der Zeitmessmittel akkumulierte Zeit in Abhängigkeit von der Abweichung zu korrigieren.
Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltungsanordnung batteriebetrieben ist. Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchsmessgeräte (V1–V4) für unidirektionalen Funkbetrieb eingerichtet sind. Verbrauchserfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Funkempfänger (E) eine elektronische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei deren Zeitmessmittel (4) einen Systemzeitgeber für den Funkempfänger bilden und wobei deren zweiter Taktgeber (8) als empfangsfrequenzbestimmendes Element des Funkempfängers vorgesehen ist.






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