EP2672338A2 - Vorrichtung zur Realisierung einer Referenzuhr mit selbsttätiger Anbindung der internen Systemzeit an die Erdrotation - Google Patents

Vorrichtung zur Realisierung einer Referenzuhr mit selbsttätiger Anbindung der internen Systemzeit an die Erdrotation Download PDF

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EP2672338A2
EP2672338A2 EP13400007.4A EP13400007A EP2672338A2 EP 2672338 A2 EP2672338 A2 EP 2672338A2 EP 13400007 A EP13400007 A EP 13400007A EP 2672338 A2 EP2672338 A2 EP 2672338A2
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EP
European Patent Office
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time
clock
real
microcomputer
switching
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13400007.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2672338A3 (de
Inventor
Heribert Oechsler
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication of EP2672338A2 publication Critical patent/EP2672338A2/de
Publication of EP2672338A3 publication Critical patent/EP2672338A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04G—ELECTRONIC TIME-PIECES
    • G04G3/00—Producing timing pulses
    • G04G3/04—Temperature-compensating arrangements
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04G—ELECTRONIC TIME-PIECES
    • G04G21/00—Input or output devices integrated in time-pieces
    • G04G21/02—Detectors of external physical values, e.g. temperature

Definitions

  • quartz crystals based on crystal or ceramic oscillators have been used for a long time.
  • these quartz crystals have a temperature-dependent frequency run in addition to the temporal aging, either the operating temperature must be kept constant in order to increase the temporal precision, or the temperature run of the quartz must be compensated by suitable measures.
  • the operating voltage of the clock generator to stabilize.
  • the quartz crystal is mounted together with the electronic components of the oscillator in a housing which is heated constantly to a temperature of about 50 ° C to 80 ° C. Since these clocks or oscillators in addition to long-term stability also have a low phase jitter, or a good short-term stability, they are usually used only in high-frequency instruments or high-frequency communication devices. However, such discretely constructed temperature-stabilized clock generators or oscillators with quartz ovens are complicated and therefore relatively expensive.
  • the second way to stabilize the frequency of the clock generator is to compensate for the temperature-induced frequency drift of the quartz crystal.
  • the clock generator is stabilized by a quartz crystal or ceramic resonator, which is disposed within the IC package.
  • IC based RTC are also available for external oscillating crystals or ceramic resonators. Since quartz crystals and / or ceramic resonators, as already stated, have a temperature-dependent frequency sweep, their temperature run is stabilized by different compensation measures.
  • an electronic power switch which is built into each luminaire and measures the centrally controlled duty cycle and compares it with the data stored on an internal data store power-on data of the previous day. By means of this data, the time of night shutdown or dimming of the lights is then determined. With a rotary switch, the switch-on time and the switch-off time for the dimming can be set at fixed intervals with this technology.
  • Another product also calculates the time range for the dimming from the previous switching cycle of the last day.
  • the dimming time can be selected here in fixed preset ranges of 6, 8 or 10 hours.
  • WO 2006/126240 A1 excludes the duty cycle on the season and accordingly drives different nocturnal brightness curves.
  • CH 549927 describes a method wherein the described twilight switch operates with time delays to minimize switching hysteresis.
  • the aforementioned real-time clocks and switching devices have, depending on the method used, as well as the design of the central control, more or less pronounced system-specific disadvantages.
  • compulsorily switching hystereses and temporal inaccuracies of the switching on and off the switched consumers compulsorily switching hystereses and temporal inaccuracies of the switching on and off the switched consumers.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a device which, without parallel synchronization by radio or carrier frequency transmission, or without the presence of wired switching lines to optimize the long-term stability and temporal precision of real-time clocks.
  • Apparatus for realizing a long-term stable reference clock characterized in that it automatically adjusts itself, the earth's rotation and accordingly the daily twilight cycles are used as a time reference and this consists of a microcomputer or a hardwired or programmable digital logic and a real time clock including clock generator, which preferably is formed by a commercial, special real-time clock IC and the microcomputer or the digital logic is associated with a programmable semiconductor read-write memory so that its data can be written and read by the microcomputer or the digital logic and in the semiconductor memory for the 365 days of the year the times of the preferably Central European time of the daily sunrises and sunsets are stored and in addition the data of the Leap years are stored and in the microcomputer runs a computer program, or the digital logic which realizes the functions according to the invention is organized such that the functions according to the invention are realized and the microcomputer or the digital logic is designed so that the detected by a central or decentralized photosensor Brightness of the two daily twilight cycles or the centrally controlled
  • the invention describes a reference clock with an automatic correction function, which is characterized by a high long-term stability.
  • the special feature is that this long-term stability is realized without complex, highly stable time standards and that no connection or synchronization to a public standard time standard is required.
  • the daily sunrises and sunsets determined by the earth's rotation are detected and evaluated.
  • embodiments for the application of this reference clock will be described.
  • the reference clock consists, at least, of an electronic real-time clock with clock generator, as well as of a microcomputer and a programmable, non-volatile semiconductor data memory, as well as a computer program, by means of which the function or method according to the invention is realized. Furthermore, a connection to a photosensor must be included to detect the dawn and dusk. In order for the power supply to be guaranteed for intermittent mains operation for at least 24 hours, it must be buffered.
  • batteries or high capacitive capacitors are used.
  • the power can also be provided by photovoltaic cells or solar cells, which can also serve to detect the dawn and dusk at the same time.
  • the real-time clock or real-time clock contained in the reference clock according to the invention is termeviated RTC, describes an electronic clock according to the state of the art, which defines the time in the form of year, month, day, hour, minute, second and optionally the fraction of a second.
  • the system time is counted up with the smallest time resolution and the displayed time data is output to the microcomputer through an interface for further processing.
  • the aforementioned hardware, as well as their function according to the invention can also be realized by a programmable or hard-wired logic, for example according to the state of the art by ASIC application-specific integrated circuit, or FPGA Field Programmable Gate Array, or CPLD Complex Programmable Logic Device.
  • a watch If a watch is to provide a minute-by-minute indication in autarkic operation over a period of several decades, it usually requires a high-precision internal time standard, or synchronization with an external and highly accurate time standard.
  • Inexpensive watches usually use quartz crystals, ceramic resonators or other resonant resonating systems. These watches are not suitable for the aforementioned requirements as sole time standard.
  • the data sheet of a real-time clock or real-time clock ICs realized according to the aforementioned patents describes the internal time base with a gear accuracy of + - 5 ppm in the temperature range from - 40 ° C to + 70 ° C.
  • This IC requires no external oscillating quartz and allows the following accuracy: + - 0 . 432 sec / Day / + - 3 sec / week / + - 13 . 4 sec / month / + - 157 . 68 sec / year
  • a prior art and exemplified IC fabricated according to the aforementioned patents is defined in the best version in the temperature range of 0 to + 40 ° C with + - 2 ppm, a deviation of + - 63.07 seconds means per year.
  • a real-time clock that should be used for such a purpose must therefore be regularly synchronized with a more accurate time standard.
  • Radio transmitter for Europe usually the long-wave transmitter DCF77 in Mainflingen, which is a highly accurate time standard and sends out corresponding coded data, or wired time standards, e.g. via the NTP (Network Time Protocol), after which the quartz watches can be synchronized.
  • NTP Network Time Protocol
  • the emissions of the GPS navigation system can be used as a highly accurate time base.
  • the method of the reference clock presented here is a relatively simple and inexpensive alternative to stabilize the internal real-time clock with simple means for decades to the minute, without the connection to external wireless or wired time standards is required.
  • the basic idea of the reference clock according to the invention is based on using the rotational speed of the earth as a time reference, according to which a commercially available, and according to the state of the art, realized by semiconductor real-time clock is synchronized at regular intervals.
  • the absolute accuracy of the Earth's rotational speed is limited by geophysical processes.
  • the mean annual deviation therefore fluctuates and is currently well below one second within one year.
  • the Coordinated Universal Time which is based on the rotational speed of the Earth, does not differ from the day-night change by more than one second, a leap second is inserted after a deviation of 0.9 seconds or the coordinated world time UTC is stopped by one second.
  • the difference of the Coordinated Universal Time (UTC) to the International Atomic Time (TAI) is always less than one second per year.
  • the morning and evening twilight time is used in each case.
  • the object to be achieved for the realization of the reference clock is, inter alia, to eliminate the different twilight times, which result mainly from different levels of cloud cover, so that these times can be used for tracking the real time clock contained in the reference clock.
  • the complete annual twilight profiles for the 365 days are mapped in tables or mathematically generated curve courses in a fixed-value data memory on which the microcomputer can access. These expected target data are then compared daily by the microcomputer with the detected current twilight values, evaluated and determined the statistical deviation.
  • the internal system time of the real-time clock must be set to the current time and date. Furthermore, it is useful, as will be described, to perform an advance referencing by storing a previously determined correction value.
  • at least one data interface must be provided, by means of which this can be realized. This may be a wired computer interface, a radio or infrared interface, or as described below, a clocked data transmission over the supply network, wherein a data transfer is realized by rhythmic ON-OFF switching of the 230 V network.
  • logging is used for detecting and logging the middle twilight threshold.
  • the logging, detection and logging of the mean earth rotation by determining the twilight cycles is carried out according to the following procedure:
  • a photosensor By a photosensor, or optionally by the evaluation of the terminal voltage of a solar cell, which can simultaneously supply the necessary energy for operation of the reference clock, the ambient brightness is measured.
  • a twilight switch is formed by means of a trigger circuit with fixed or variably adjustable threshold, which generates a switching signal from the average twilight value, so that the time of the onset of dusk and the time from the end of dawn can be logged.
  • this device is used for time-controlled power reduction of lighting systems, these lights are normally switched centrally via a central twilight switch with a photosensor such that the 230 V power supply is turned on by this.
  • the 230 V switch-on and switch-off signal of the luminaires can be used for logging the twilight cycles.
  • dawn, dusk or the times of dawn and dusk can be used.
  • the method presented here uses the measured time period between dawn and dusk.
  • One possibility is to log the twilight times on the semiconductor memory of the processor to store a table with the predicted twilight times for an entire annual cycle based on the latitude of the location, to compare it with the date of the real-time clock and derive a reference value from it.
  • a better method is to derive a sufficiently accurate reference from the switching cycles of twilight times using statistical methods. This is then used to determine a reference to the real time.
  • the method of correction described here is relatively insensitive with respect to different locations. Naturally, however, it is not suitable for use north or south of the two polar circles.
  • the time average can be calculated according to the following formula: Time of the morning ⁇ a ⁇ ⁇ twilight + Time of the evening ⁇ a ⁇ ⁇ twilight / 2 + correction value ,
  • the value thus obtained is adjusted for seasonal fluctuations and is still subject to weather-related fluctuations.
  • the value is either stored in a table and used to calculate the arithmetic mean, or, more effectively, continuous arithmetic integration is performed.
  • the more switching cycles that are included in this integration the lower the fluctuations or the lower the influence of weather-related fluctuations.
  • the value representing the statistical mean is meaningfully not calculated as an integer, but in such a way that the seconds can be derived from it.
  • the system-internal time depends exclusively on the accuracy of the internal real-time clock and the precision of its clock generator.
  • the creation of statistics for the twilight cycles is started. If the system is in operation for a sufficient period of time, the statistical mean value is stored as a reference value once and permanently.
  • the reference clock is operated in a network, as usual for street lighting, and some new reference clocks are added at a later date.
  • the central photosensor serving as twilight sensor which switches on the 230V power supply of the luminaires at dusk, has been changed in its switching characteristic. This could lead to a slightly different result for the new reference clocks when calculating the reference value.
  • the newly added reference clocks can already be set to the same reference value as the reference clocks previously available in the system network before they are installed. For this purpose, it should be possible to read the reference values of the previously installed reference clocks in order to then read these into the newly installed reference clocks.
  • the corresponding reference value is calculated separately from the geo-position data of the intended place of use and the new reference clocks to be newly installed are preset with this reference value.
  • the known conversion formulas from the WOZ (true local time) to the CET (Central European Time) can be used.
  • a one-sided shading leads to a different time in the detection of dawn and dusk and thus leads to a shift in the statistical average.
  • the photosensor has a switching hysteresis, which is intended to prevent the sensor from switching several times at the onset or end of twilight and fluctuating brightness due to different levels of clouding.
  • this property also causes the brightness value that detects the evening twilight to represent a different brightness value than the value that detects the morning twilight. This also causes a temporal shift of the detected mean value.
  • this effect can be minimized by designing the photosensor and the subsequent circuitry defining the trigger threshold to define different switching hystereses for the detection of dusk and dawn.
  • the switching between the two hystereses can then take place, for example, at 12:00 and 24:00.
  • the triggering then takes place at the same brightness values.
  • the reference value is calculated solely from the geo-position data, the o.g. Factors to a corresponding deviation.
  • System-related factors such as the properties of the photosensor and its hysteresis can be taken into account mathematically, factors such as the orientation of the photosensor, shading, extraneous light usually not.
  • the curve 3 first follows the statistical deviation 2 downwards and approaches the curve 1, the drift of the real-time clock or RTC. It then rises again along the drift of the RTC.
  • the time 4 at which the curve 3 has reached its low point is the optimal time for the creation of the reference value.
  • the maximum deviation remains at the value 5 over the entire lifetime of the clock and it fluctuates by a maximum of 6 due to the continued statistics.
  • Fig. 2 The graphic shown is not drawn to scale for better representability and therefore not provided with real values. Likewise, the graph of the statistic values depends on the statistic generation method, and may have a different form depending on the method.
  • a change in the time of day means that the statistical average only changes slowly during the next twilight cycles. Each additional cycle would re-adjust the real-time clock time in the same direction, which would lead to overcorrection and excessive clocking times.
  • each table entry in the statistic must be corrected by the same amount at the same time as the time is changed, or this amount must be taken into account in the case of mathematical integration.
  • the reference clock is in operation for a sufficiently long time, it can be assumed that the statistical average will tend not to change any more and that the value fluctuates within the same limits within seconds due to weather conditions. If the clock of the real-time clock continues to be tracked according to the above-mentioned method, this fluctuation has a direct effect on the display of the reference clock.
  • This fluctuation can be drastically reduced if, from now on or successively increasing, the method for tracking the real-time clock or the method for generating the statistical mean value is changed.
  • the weighting of new twilight cycles is either greatly reduced from now on with each further calculation of the statistical mean value, or the real-time clock is only adjusted by a fraction of a second during readjustment. This causes the time to fluctuate only slightly and that it gradually approaches the exact mean. It is also possible to use a combination of both methods.
  • step size When choosing the step size for adjusting the real-time clock, care must be taken that the step size is large enough to compensate for the drift of the real-time clock under all conditions.
  • the time for adjusting the clock depends on the intended scope. If the watch is operated as a normal clock for time display, it is advisable to adjust the clock at a time when the clock is rarely observed. For example, at 2:00 in the night.
  • the clock is not used for time display, but for the switching of lights, for the timed dimming of lights or for other time-controlled and synchronously departing switching operations, the time should be synchronized with a specified switching operation.
  • an optional replacement operating mode may be provided.
  • an error flag is set by the latter, which can be read out by the microcomputer and evaluated accordingly.
  • the date can be checked for change. A new twilight cycle with the same date then indicates a malfunction.
  • the system switches to the replacement operating mode.
  • a precautionary statistic of the duration of the twilight cycles is created for this case, continuously updated and stored in the read-only memory.
  • the time between the two daily twilight cycles is logged and the statistical average calculated.
  • the microcomputer takes over the function of the real-time clock and generates the time accordingly. Due to the lower precision of the clock generator of the microcomputer, however, the temporal stability of the reference clock will inevitably deteriorate.
  • the reference time which establishes the relationship between the real time and the twilight switch cycles, can still be used. If an automatic daylight saving changeover is configured, the switching times can be shifted by half an hour and thus realize a "half summer time" all year round. It is also conceivable that the season is concluded on the basis of the predetermined, seasonally different twilight cycles and that the approximate period for a summer time changeover is determined from this.
  • Substitute operation is terminated when the time is manually reset. Thus, after elimination of the fault, the normal operation can be continued.
  • the real-time clock as well as the microprocessor with its associated components can, for example, also be present twice as a functional unit.
  • the two separate functional units A and B work in parallel, whereby normally the function of A is realized. If the functional unit A now has a malfunction, its function is taken over by B.
  • This design feature of the redundancy has long been known and corresponds to the prior art.
  • the transmission of the parameters necessary for commissioning and operation can be carried out in a variety of ways, e.g. via serial interface, USB interface or other wired computer interfaces.
  • the parameter data are preferably transmitted via the common 230 V power supply network.
  • the common 230 V power supply network As a simple method, which is also capable of obstructing obstacles such as To overcome electromagnetic or electronic switches, it is possible to perform the transmission of information as a rhythmic switching on and off of the supply voltage.
  • this data transmission should preferably be carried out in bright daylight in order to avoid irritation of the road users.
  • the coding of the information is preferably carried out by the short-term switching on / off of the 230 V AC power supply.
  • the time length of the ON and OFF times, as well as the pauses between the individual bit and the characters are defined in time.
  • the known ASCII code with corresponding short-long changes can be used to define the individual characters.
  • This code for the input of the dimming times preferably consists of four Ausschaltiques with different lengths of time. For example, long, long, short, long.
  • the dimming times are viewed from midnight.
  • the first transmitted time information (start of dimming) is the time in quarter hours before midnight
  • the second transmitted time information (end of dimming) is the time in quarter hours after midnight.
  • Seconds Means, for example, that the dimming should start at 22:00 and end at 5:00.
  • the data transmissions are checked by the device according to the invention for plausibility. Only meaningful inputs are accepted as changes. This prevents unwanted changes due to random switching sequences.
  • the automatic dimming device is integrated into a luminaire, another method of transmitting the configuration data is available: the data is transmitted by means of a coded light signal, e.g. Infrared light, transmitted. So it is possible to make configuration changes such as to change the dimming times from the ground without tools through the transparent luminaire cover. Change requests e.g. of residents, so can be met individually without much effort.
  • a coded light signal e.g. Infrared light
  • the operating states and as acknowledgment information for a successful reprogramming it makes sense to provide a corresponding display option. Since this system saves costs by saving energy, this display should also cause the least possible additional costs. Therefore, the use of a simple light-emitting diode is proposed here. By rhythmically blinking in a predefined manner, all configurations and operating states can be displayed.
  • the dimming time 1 and the dimming time 2 are displayed, similar to the configuration input.
  • the inventive function of the reference clock can be integrated into various applications.
  • an autonomously operating switching device for surface lighting systems will be described below.
  • the device described which includes a reference clock according to the invention, serves to dimming street lights preferably at predefined night time for energy saving, or turn off.
  • a reference clock serves to dimming street lights preferably at predefined night time for energy saving, or turn off.
  • dimming may only be carried out within the time limits provided for this purpose.
  • a programmable switching device powered by the 230 V supply network of luminaires is installed in each luminaire.
  • This device includes at least one reference clock according to the invention, the required to operate the reference clock 230 V power supply with buffering and at least one preferably electronic relay.
  • the buffering of the power supply is required to maintain the power supply of the reference clock during the day phase, ie the time in which the lights are normally switched off by switching off the 230 V mains.
  • These may preferably be chemical batteries or high-capacitance capacitors.
  • the function according to the invention is, as already mentioned, realized by the reference clock with integrated real-time clock and a microcomputer with the associated components and a computer program. At least the following components are present:
  • a preferably commercial IC which includes the function of the real-time clock and the clock generator and a commercially available microcomputer and a programmable read-only memory integrated into the microcomputer and / or implemented as a separate IC and a photosensor for detecting the daylight and / or a connection realized in another way an external photosensor, for the detection of daylight.
  • connection to the said external photosensor is preferably carried out by the detection of the on and off times required for the operation of the luminaires 230 V AC supply network.
  • a 230 V power supply which is preferably buffered by a capacitor or rechargeable battery, or a power supply which is used by chemical batteries to supply the aforementioned components is required to operate the reference watch.
  • the buffering of the 230 V power supply must be designed so that an operation of at least 24 hours can be realized.
  • At least one of the reference clock preferably a semiconductor relay or a thyristor or transistor, is present.
  • the aforementioned components are installed in a housing made of metal or plastic and are hermetically sealed in this preferably by insulating potting compounds.
  • the shape of this housing is preferably designed as a round or square tube.
  • These housings consist of previously known methods either from pipe sections or prefabricated fittings.
  • the potting compounds preferably consist of two-component resins, two-component elastomers, two-component foams or two-component silicone compositions. Optionally heat-crosslinkable or otherwise crosslinkable potting compounds can be used. Both the design of the housing, as well as the hermetic encapsulation of the electronics corresponds to the prior art.
  • the electrical connection is made either by insulated wires, which protrude from the potting compound, or from one or more terminal strip / s for external wiring, which protrude from the potting compound.
  • the device according to the invention with the reference clock and the switching components can be mounted both in the luminaire and in the base of the luminaire pole in the area of the fuse and terminal box.
  • the device according to the invention is protected by the hermetic sealing of the components against harmful environmental influences such as moisture.
  • Application example 2 as a system clock in control systems and regulations that work autonomously in the outdoor area and rely on an independent, long-term stable time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Referenzuhr mit einer internen Echtzeituhr mit hochstabilem Taktgenerator, deren interne Systemzeit kontinuierlich mit den vom jahreszeitlich bedingten Sonnenstand abhängigen Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen synchronisiert wird. Zusätzlich wird die beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Referenzuhr in einer Vorrichtung zur temporären Leistungsreduzierung von zentralgesteuerten Leuchten beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Referenzuhr mit einer internen Echtzeituhr mit hochstabilem Taktgenerator, deren interne Systemzeit kontinuierlich mit den vom jahreszeitlich bedingten Sonnenstand abhängigen Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen synchronisiert wird. Zusätzlich wird die beispielhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Referenzuhr in einer Vorrichtung zur temporären Leistungsreduzierung von zentralgesteuerten Leuchten beschrieben.
    1. a) Gemäß dem Stand der Technik bestehen Elektronische Uhren, bzw. Echtzeituhren, aus einem Taktgenerator und einer nachfolgenden Vorrichtung zur digitalen Aufbereitung und digitalen Ausgabe und/oder Anzeige der aktuellen Zeiten. Hierbei ist die Langzeitstabilität, welche von der Frequenzkonstanz des Taktgenerators abhängt, ein Qualitätsmaßstab für die entsprechende Anwendung. Dem Stand der Technik entsprechend stellen sogenannte Echtzeituhren, oder "Real Time Clock" oder RTC die Uhrzeit in einer Form zu Verfügung, welche vom Menschen und/oder von elektronischen Systemen verarbeitet werden kann. Die Darstellung der Zeit erfolgt in Sekunden, Minuten, Stunden, Tag, Monat, Jahr.
  • Zur Stabilisierung der Frequenz des Taktgenerators werden schon seit langem auf Kristallbasis beruhende Schwingquarze oder Keramikschwinger eingesetzt. Da diese Quarze jedoch neben der zeitlichen Alterung einen temperaturbedingten Frequenzlauf aufweisen, muss zur Erhöhung der zeitlichen Präzision entweder die Betriebstemperatur konstant gehalten werden, oder der Temperaturlauf des Quarzes muss durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden. Als Grundvoraussetzung ist natürlich auch die Betriebsspannung des Taktgenerators zu stabilisieren.
  • Zur Stabilisierung der Betriebstemperatur des Taktgenerators oder Oszillators wird gemäß dem Stand der Technik der Schwingquarz zusammen mit den Elektronischen Komponenten des Oszillators in ein Gehäuse montiert, welches konstant auf eine Temperatur von ca. 50 °C bis 80 °C aufgeheizt wird. Da diese Taktgeber oder Oszillatore zusätzlich zur Langzeitstabilität auch ein geringes Phasen-Jitter, bzw. eine gute Kurzzeitstabilität aufweisen, werden sie normalerweise nur in Hochfrequenz Messgeräten oder Hochfrequenz Kommunikationsgeräten eingesetzt. Solche diskret aufgebauten temperaturstabilisierten Taktgeneratore bzw. Oszillatore mit Quarzöfen sind jedoch aufwändig und deshalb relativ teuer.
  • Alternativ sind jedoch gemäß DE 10 2008 060386 auch Integrierte Schaltkreise verfügbar, welche ein internes Heizelement zur Stabilisierung der Betriebstemperatur aufweisen. Die temperaturstabilisierten Quarzoszillatore benötigen jedoch zu Beheizung der Komponenten nicht unerhebliche elektronische Leistung, und werden deshalb meist bei netzbetriebenen Geräten eingesetzt.
  • Der zweite Weg zur Frequenzstabilisierung des Taktgenerators besteht darin, die temperaturbedingte Frequenzdrift des Schwingquarzes zu kompensieren.
  • Entsprechende Integrierten Schaltkreisen oder IC, welche nach diesem Verfahren arbeiten, werden von verschiedenen Herstellern angeboten. Hierbei werden sowohl einfache Ausführungen mit geringer zeitlichen Konstanz, als auch aufwändige Lösungen für Temperaturkompensierte Quarzoszillatore TCXO mit hoher zeitlicher und temperaturbedingten Genauigkeit von +- 5 ppm bis zu +- 2 ppm angeboten. Dies bedeutet eine jährliche Ungenauigkeit von +- 158 Sekunden bis +- 63 Sekunden.
  • Auch bei diesen hochgenauen Echtzeituhren oder RTC, welche als ICs verfügbar sind, wird der Taktgenerator durch einen Schwingquarz oder Keramik-Resonator stabilisiert, welcher innerhalb des IC-Gehäuses angeordnet ist. Alternativ sind auch IC basierte RTC für externe Schwingquarze oder Keramik-Resonatore verfügbar. Da Schwingquarze und/oder Keramik-Resonatore wie bereits ausgeführt, einen temperaturbedingten Frequenzlauf aufweisen, wird dessen Temperaturlauf durch unterschiedliche Kompensationsmaßnahmen stabilisiert. Hierbei sind einfache analoge Schaltungen, sowie aufwändige Korrekturmaßnahmen unter Anwendung von digitalen Korrekturtabellen bekannt.
  • So wird in den Patentschriften DE 037 84 376 T2 sowie EP 0 248 589 B1 eine Analoge Frequenznachführung unter Anwendung eines Thermistors sowie einer spannungsgesteuerten Kapazitätsvariationsdiode beschrieben.
  • In der Patentschrift US 5 668 506 A wird eine Analoge Frequenznachführung für einen temperaturkompensierten Quarzoszillator TCXO beschrieben, dessen temperaturbedingte Korrekturkurve in einem digitalen Speicher abgelegt ist und von einem Temperaturfühler gesteuert eine Nachführspannung für eine Kapazitätsvariationsdiode generiert wird.
  • US 7 371 995 B1 beschreibt eine analoge Frequenznachführung, welche durch einen Digitalen Signalprozessor gesteuert wird.
  • In den Patentschriften US 5 117 206 / US 5 995 970 A / US 6 160 458 A / US 6 414 559 B1 / US 6 476 682 B1 werden Frequenzkompensationen für einen temperaturkompensierten Quarzoszillator TCXO beschrieben, dessen temperaturbedingte Korrekturkurven ebenfalls in digitalen Speichern abgelegt sind. Bei diesen Applikationen erfolgt die Frequenznachführung des internen Schwingquarzes oder Keramik-Resonators durch interne geschaltete Kondensatore. Die Zuschaltung dieser Kompensations-Kondensatore zum Schwingquarz oder Resonator erfolgt durch eine Halbleiter-Logik, welche gemäß der von einem internen Temperaturfühler gemessenen Kristalltemperatur oder internen IC Temperatur aus der Kompensationstabelle ausgewähltem Kompensationswert erfolgt.
  • Weiterhin sind Anwendungen bekannt, bei welchen die Echtzeituhr mit einer offiziellen Normalzeit synchronisiert wird. Dies sind Normalzeiten, welche weltweit von den Satelliten des GPS Global Positioning Sysytem / Navstar, oder in Mitteleuropa von dem DCF77 Langwellen Normalzeitsender bereit gestellt werden. Diese Funksysteme liefern eine auf 1 sec konstante Normalzeit.
    • b) Der Stand der Technik für die patentgemäße Anwendung der vorgenannten Echtzeituhren oder RTC in Straßenbeleuchtungsanlagen, stellt sich wie folgt dar.
  • Üblicherweise werden Straßenbeleuchtungsanlagen mit Hilfe einer programmgesteuerten Uhr und/oder eines Dämmerungsschalters zentral geschaltet. Dies bewirkt, dass die Leuchten nur während der Dämmerungs- und Nachtstunden leuchten.
  • Zur Spannungsversorgung und zum Ein- und Ausschalten der einzelnen Leuchten sind hierbei verschiedene Gestaltungen des 230 V Wechselspannungs-Versorgungsnetzes, sowie mehrere Technologien und Verfahren zum Schalten bekannt.
    • c) Beispielsweise können die Leuchten im einfachsten Falle durch einen separaten 230 V Lampenstromkreis gespeist werden, welcher zentral geschaltet wird. Hierbei werden die Versorgungsnetze der Straßenbeleuchtungen in Dreileitertechnik (Phase, Nulleiter und Schutzerde) ausgeführt. Die Phase dieses Stromkreises wird bei der Abenddämmerung eingeschaltet und bei der Morgendämmerung ausgeschaltet. Die Schalt-Steuerung erfolgt durch zentrale Dämmerungsschalter.
    • d) Weiterhin können die Versorgungsnetze der Straßenbeleuchtungen als Mehrleiternetz mit mehreren geschalteten Phasenleitungen ausgeführt werden. Bei Mehrleiternetzen besteht die Möglichkeit, eine der zusätzlichen Leitungen als Steuerleitung zu verwenden um zu bestimmten Zeiten die Leistung der Leuchten zu reduzieren, oder einen Teil der Leuchten abzuschalten. Hierzu wird in der Regel zur vollen Beleuchtung die zusätzliche Steuerleitung mit Netzspannung beaufschlagt und zur Reduzierung (Dimmung) der Beleuchtung wird diese Netzspannung abgeschaltet.
    • e) Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Straßenleuchten von einer Phase des 230 V Versorgungsnetzes oder einer separaten, nicht geschalteten Leitung gespeist werden, oder die Leuchten gleichmäßig auf die drei Phasen des Versorgungsnetzes verteilt werden. Die Ein- und Ausschaltung der Leuchten, sowie das Dimmen der Leuchten erfolgt bei dieser Technologie durch Schaltsignale, welche einem hochfrequenten oder niederfrequenten Trägersignal in geeigneter Weise aufmoduliert sind. Dieses Trägersignal wird durch einen Sender generiert und ist wiederum dem Versorgungsnetz überlagert. Zur Auswertung dieser Schaltsignale und zum Schalten, ist in jede Leuchte ein entsprechender Empfänger mit mindestens einem Schaltausgang eingebaut. Diese in neuen, oder modernisierten Versorgungsnetzen benutzte Technologie, beispielsweise gemäß DE 20 2010 002 701 U1 oder DE101 28 258 A1 ist jedoch nicht Gegenstand der hier beschriebenen Erfindung.
  • Sind die unter d) und e) beschriebenen Leitungsführungen und/oder die aufwändigen Trägerfrequenztechnologien nicht vorhanden, besteht unter den Gesichtspunkten der Energieeinsparung vermehrt die Forderung der zeitweisen Leistungsreduzierung der Straßenbeleuchtungen. Bei älteren Leitungsnetzen ist die unter d) genannte zusätzliche Steuerleitung oft nicht vorhanden und eine Umrüstung dieser Netze ist zwangsläufig mit einem erheblichen Installations- und Kostenaufwand verbunden. Die Nachrüstung mit Trägerfrequenzsystemen gemäß e) ist ebenfalls mit erheblichem Aufwand verbunden.
  • Um auch bei diesen älteren oder einfachen Leitungsnetzen eine Nachtabschaltung, oder Nachtabsenkung / Dimmen der Beleuchtung zur Verbrauchsreduzierung zu realisieren, sind gemäß dem Stand der Technik verschiedene Anwendungen und Verfahren bekannt.
  • Beispielsweise ist ein elektronischer Leistungsumschalter bekannt, welcher in jede Leuchte eingebaut ist und die zentral gesteuerte Einschaltdauer misst und diese mit den auf einem internen Datenspeicher abgelegten Einschalt-Daten der Vortage abgleicht. Mittels dieser Daten wird dann die Zeit der nächtlichen Abschaltung bzw. Dimmung der Leuchten bestimmt. Durch einen Drehschalter kann bei dieser Technologie in festen Intervallen die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit für die Dimmung eingestellt werden.
  • Ein weiteres Produkt berechnet ebenfalls aus dem vorangegangenen Schaltzyklus des letzten Tages den Zeitbereich für die Dimmung. Die Dimmzeit kann hier in fest voreingestellten Bereichen von 6, 8 oder 10 Stunden ausgewählt werden.
  • Aus DE 44 18 315 C2 oder dem gleichlautenden WO 95/33361 ist ein Verfahren bekannt, das zur Berechnung der Dimmzeiten die vorherigen Schaltzyklen heranzieht und daraus die Dimmzeiten berechnet. Dieses Verfahren liefert bereits vergleichsweise präzise, reproduzierbare Werte, bei denen der zeitliche Versatz aufgrund unterschiedlicher geografischer Positionen im Längengrad bereits berücksichtigt wird.
  • DE 10 2009 033 358 A1 behandelt die Thematik mit ähnlichen Ansätzen, wobei die Mitte der Ein- und Ausschaltzeit als Bezugszeit herangezogen wird.
  • In US 05450302A wird eine aus der Einschaltzeit der Vortage abgeleitete Dimmzeit beschrieben.
  • WO 2006/126240 A1 schließt aus der Einschaltdauer auf die Jahreszeit und fährt entsprechend unterschiedliche nächtliche Helligkeitskurven.
  • CH 549927 beschreibt ein Verfahren, wobei der beschriebene Dämmerungsschalter mit Zeitverzögerungen arbeitet, um die Schalt-Hysterese zu minimieren.
  • Die Offenlegungsschriften DE 39 02 785 A1 sowie DE 100 52 541 A1 beschreiben Verfahren zum Dimmen von Entladungslampen.
  • In DE 197 31 150 A1 wird eine Methode der Phasenaustastung zur Datenübertragung zu den Schaltmodulen beschrieben.
  • Die Veröffentlichung WO 2007/091175 A1 mit dem Prioritätsdatum vom 07.02.2006, sowie EP1982564 greift einen Großteil der zuvor beschriebenen technischen Details auf und versucht daraus eine alles umfassende Patentschrift zu formulieren.
  • Die vorgenannten Echtzeituhren und Schaltvorrichtungen weisen je nach angewandtem Verfahren, sowie der Gestaltung der zentralen Steuerung, mehr oder weniger stark ausgeprägte systemspezifische Nachteile auf. So ist es gemäß dem momentanen Stand der Technik mit Ausnahme der durch Funk übertragenen Normalzeiten nicht möglich, mehrere im Funktions-Verbund arbeitende Echtzeituhren über einen längeren Zeitraum ausreichend synchron auf der gleichen Uhrzeit zu halten. Dadurch bestehen beim Einsatz von mehreren der vorgenannten Vorrichtungen in einem System oder einem funktionellen Verbund, abhängig vom aktuellen Wettergeschehen, zwangsweise Schalthysteresen und zeitliche Ungenauigkeiten der Ein- und Ausschaltungen der geschalteten Verbraucher. So ist es beispielsweise bisher nicht möglich, das zeitlich ausreichend synchrone Schalten / Dimmen eines ganzen Straßenzuges zu ermöglichen, wobei die Schaltzeiten der einzelnen Schalt-Vorrichtungen teilweise um mehr als eine Stunde von der beabsichtigten Schaltzeit abweichen können.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ohne parallele Synchronisation durch Funk- oder Trägerfrequenz-Übertragung, oder ohne das Vorhandensein drahtgebundener Schaltleitungen, die Langzeitstabilität und zeitliche Präzision von Echtzeituhren zu optimieren.
  • Dies wird dadurch erreicht, dass gemäß Patentanspruch 1 die nachfolgend beschriebene Vorrichtung geschaffen wird:
  • Vorrichtung zur Realisierung einer langzeitstabilen Referenzuhr, dadurch gekennzeichnet, dass diese sich selbsttätig nachstellt, wobei die Erdumdrehung und dementsprechend die täglichen Dämmerungszyklen als zeitliche Referenz herangezogen werden und diese aus einem Mikrocomputer oder einer festverdrahteten oder programmierbaren digitalen Logik und einer Echtzeituhr einschließlich Taktgenerator besteht, welche vorzugsweise von einem handelsüblichen, speziellen Echtzeituhr IC gebildet wird und dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik ein programmierbarer Halbleiter Schreib-Lese Datenspeicher derart zugeordnet ist, dass dessen Daten von dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik beschrieben und ausgelesen werden können und in dem Halbleiterspeicher für die 365 Tage des Jahres die Zeiten der vorzugsweise mitteleuropäischen Zeit der täglichen Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge gespeichert sind und zusätzlich die Daten der Schaltjahre gespeichert sind und in dem Mikrocomputer ein Computerprogramm abläuft, oder die digitale Logik welches die erfindungsgemäßen Funktionen realisiert derart organisiert ist, dass die erfindungsgemäßen Funktionen realisiert werden und der Mikrocomputer oder die digitale Logik so gestaltet ist, dass die von einem zentralen oder dezentralen Photosensor detektierte Helligkeit der beiden täglichen Dämmerungszyklen oder das zentralgesteuerte Ein- und Ausschalten des 230 V Wechselspannung Versorgungsnetzes von dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik ausgelesen werden können und deren Zeit des Schaltereignisses zur Erstellung eines Referenzwertes zur zeitlichen Nachführung der Echtzeituhr dienen und dass dieser Referenzwert aus dem statistischen Mittelwert der aktuellen und der vorausgegangenen morgendlichen und abendlichen Dämmerungszyklen gemäß der Funktion, dass sich die neue Uhrzeit aus der Addition des täglich aus den Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen ermittelten temporären Referenzwertes zur aktuellen Uhrzeit ergibt, von welchem jedoch das kontinuierlich und täglich korrigierte und weitergeführte, statistische Mittel abgezogen wird und mit den im Halbleiterspeicher abgelegten täglichen Solldaten der Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge nach Datum- und Zeitinformationen, sowie den aktuellen Daten der Echtzeituhr gemäß Uhrzeit, Tag, Monat und Jahr verglichen werden und daraus der statistische Mittelwert gebildet wird, welcher zum kontinuierlichen Nachstellen der Echtzeituhr dient.
    • Beschreibung:
  • Die Erfindung beschreibt eine Referenzuhr mit einer selbsttätigen Korrekturfunktion, welche sich durch eine hohe Langzeitstabilität auszeichnet. Das besondere Merkmal besteht darin, dass diese Langzeitstabilität ohne aufwändige hochstabile Zeitnormale realisiert wird und dass keine Anbindung oder Synchronisation an ein öffentliches Standard Zeitnormal benötigt wird. Als erfindungsgemäße Referenz werden die durch die Erdrotation bestimmten täglichen Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge detektiert und ausgewertet. Ergänzend werden Ausführungsbeispiele für die Anwendung dieser Referenzuhr beschrieben.
  • Die erfindungsgemäße Referenzuhr besteht zur Realisierung der Kernfunktionen mindestens aus einer elektronischen Echtzeituhr mit Taktgenerator, sowie aus einem Mikrocomputer und einem programmierbaren, nichtflüchtigen Halbleiter Datenspeicher, sowie einem Computerprogramm, durch welches die erfindungsgemäße Funktion bzw. Verfahren realisiert wird. Weiterhin muss zur Erkennung der Morgen- und Abenddämmerung eine Anbindung an einen Photosensor enthalten sein. Damit die Stromversorgung bei intermittierendem Netzbetrieb mindestens für 24 Stunden gewährleistet ist, muss diese gepuffert sein.
  • Hierzu werden vorzugsweise Akkus oder hochkapazitive Kondensatore eingesetzt. Optional kann die Stromversorgung auch durch Photovoltaische Zellen oder Solarzellen erfolgen, welche zudem gleichzeitig zur Erkennung der Morgen- und Abenddämmerung dienen können.
  • Die in der erfindungsgemäßen Referenzuhr enthaltene Echtzeituhr oder Real Time Clock, abgekürzt RTC beschreibt dem Stand der Technik entsprechend eine elektronische Uhr, welche die Uhrzeit in Form von Jahr, Monat, Tag, Stunde, Minute, Sekunde und optional dem Sekundenbruchteil definiert. Die Systemuhrzeit wird mit der kleinsten Zeitauflösung hochgezählt und die dargestellten Zeitdaten werden zur weiteren Verarbeitung durch eine Schnittstelle an den Mikrocomputer ausgegeben.
  • Alternativ kann die vorgenannte Hardware, sowie deren erfindungsgemäße Funktion auch durch eine programmierbare oder festverdrahtete Logik, beispielsweise dem Stand der Technik entsprechend durch ASIC Application-specific integrated circuit, oder FPGA Field Programmable Gate Array, oder CPLD Complex Programmable Logic Device realisiert werden.
  • Die elektronischen Einzelkomponenten zur Realisierung der vorgenannten Vorrichtung entsprechen dem Stand der Technik. Neu und entscheidend ist jedoch die Realisierung der selbsttätigen Korrektur-Funktion, sowie das Verfahren der kontinuierlichen zeitlichen Korrektur der Echtzeituhr und deren nachfolgend beschriebenen Nachführung der internen Systemzeit gemäß der Erdrotation und dem jahreszeitlich bedingten Sonnenstand.
  • Soll eine Uhr über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten im autarken Betrieb eine minutengenaue Anzeige liefern, so ist dafür normalerweise ein hochpräzises internes Zeitnormal, oder die Synchronisation mit einem externen und hochgenauen Zeitstandard erforderlich.
  • Preisgünstige Uhren verwenden meistens Schwingquarze, Keramik-Resonatoren oder andere in Resonanz schwingende Systeme. Diese Uhren sind für die vorgenannten Anforderungen als alleiniges Zeitstandard nicht geeignet.
  • Seit einiger Zeit sind jedoch als integrierte Schaltkreise realisierte Echtzeituhren verfügbar, bei welchen der physikalisch gegebene Temperaturlauf des Taktgenerators durch die in einem internen Halbleiterspeichern abgelegten Korrekturdaten kompensiert wird. Diese Schaltkreise ermöglichen die Realisierung von relativ preiswerten, jedoch hochpräzisen Echtzeituhren.
  • Hier ein Beispiel für die Ganggenauigkeit von handelsüblichen temperaturstabilisierten Quarzuhren gemäß den Patentschriften US 5 117 206 / US 5 995 970 A / US 6 160 458 A / US 6 414 559 B1 / US 6 476 682 B1 :
  • Das Datenblatt einer gemäß den vorgenannten Patentschriften realisierten Echtzeituhr oder Real Time Clock ICs beschreibt die interne Zeitbasis mit einer Gang-Genauigkeit von +- 5 ppm im Temperaturbereich von - 40 °C bis + 70 °C. Dieses IC benötigt keinen externen Schwing-Quarz und ermöglicht folgende Ganggenauigkeit: + - 0 , 432 sec / Tag / + - 3 sec / Woche / + - 13 , 4 sec / Monat / + - 157 , 68 sec / Jahr
    Figure imgb0001
  • Ein dem Stand der Technik entsprechendes und beispielhaft angezogenes IC, welches gemäß den vorgenannten Patentschriften realisiert ist, wird in der besten Version im Temperaturbereich von 0 bis +40 °C mit +- 2 ppm definiert, was eine Abweichung von +- 63,07 Sekunden pro Jahr bedeutet.
  • Doch selbst bei solch hoher Genauigkeit würde dies bei einem unkorrigierten Langzeitbetrieb noch immer eine Abweichung von +-20 Minuten in 20 Jahren bedeuten.
  • Bei diesen Überlegungen ist jedoch die natürliche Alterung des Quarzkristalles noch nicht berücksichtigt, da diese Langzeit-Komponente zusätzlich in den abgelegten Korrekturdaten enthalten sein müsste.
  • Der nachfolgend beispielhaft beschriebene Einsatz der erfindungsgemäßen Referenzuhr ist unter anderem für die temporäre Leistungsabsenkung in öffentlichen Beleuchtungssystemen vorgesehen. Hier würde eine solche Abweichung bedeuten, dass in einer Beleuchtungsanlage mit mehreren Leuchten bei gleich eingestelltem Schaltzeitpunkt die Leuchten im Zeitraum von 40 Minuten willkürlich nacheinander schalten könnten. Das wäre so nicht akzeptabel.
  • Eine Echtzeituhr, die für einen solchen Zweck eingesetzt werden soll, muss also mit einem genaueren Zeitnormal regelmäßig synchronisiert werden. Hierfür gibt es z.B. Funksender, für Europa in der Regel den Langwellensender DCF77 in Mainflingen, welcher ein hochgenaues Zeitnormal darstellt und entsprechend codierte Daten aussendet, oder leitungsgebundene Zeitnormale, z.B. über das NTP (Network Time Protocol), nach denen die Quarzuhren synchronisiert werden können. Zusätzlich können die Aussendungen des GPS Navigationssystems als hochgenaue Zeitbasis verwendet werden.
  • Das hier vorgestellte Verfahren der Referenzuhr stellt jedoch eine relativ einfache und preiswerte Alternative dar, um die interne Echtzeituhr mit einfachen Mitteln über Jahrzehnte minutengenau zu stabilisieren, ohne dass die Anbindung an externe Funk- oder drahtgebundene Zeitnormale erforderlich ist.
  • Die Grundidee der erfindungsgemäßen Referenzuhr beruht darauf, die Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde als Zeit-Referenz zu verwenden, nach der eine handelsübliche, und dem Stand der Technik entsprechende, durch Halbleiter realisierte Echtzeituhr in regelmäßigen Abständen synchronisiert wird.
  • Verglichen mit der durch Atomuhren gebildeten Internationalen Atomzeit (TAI), ist die absolute Genauigkeit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde durch geophysikalische Vorgänge begrenzt. Die mittlere jährliche Abweichung schwankt demnach und liegt momentan innerhalb eines Jahres deutlich unter einer Sekunde.
  • Somit ist von folgender mittleren jährlichen Genauigkeit auszugehen: 60 Sekunden x 60 Minuten x 24 Stunden x 365 Tage = 31.536.000 Sekunden pro Jahr Genauigkeit = + - 1 Sekunde pro 31.536.000 Sekunden = 0.0317 ppm
    Figure imgb0002
  • Damit die an der Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde orientierende Koordinierte Weltzeit (UTC) nicht mehr als eine Sekunde vom Tag-Nacht Wechsel abweicht, wird deshalb ab einer Abweichung von 0,9 Sekunden eine Schaltsekunde eingefügt, bzw. die Koordinierte Weltzeit UTC um eine Sekunde angehalten. Somit ist die Differenz der Koordinierten Weltzeit (UTC) zur Internationalen Atomzeit (TAI) also stets kleiner als eine Sekunde pro Jahr.
  • Für die erfindungsgemäße Detektion der mittleren Erd-Umdrehungsgeschwindigkeit wird jeweils der morgendliche und abendliche Dämmerungszeitpunkt herangezogen. Die zur Realisierung der Referenzuhr zu lösende Aufgabe ist unter anderem die, die unterschiedlichen Dämmerungszeiten, die sich im Wesentlichen aufgrund unterschiedlich starker Bewölkung ergeben, so zu eliminieren, dass diese Zeiten für das Nachführen der in der Referenzuhr enthaltenen Echtzeituhr verwendet werden können.
  • Für die erfindungsgemäße zeitliche Synchronisation werden in einem Festwert-Datenspeicher auf welchen der Mikrocomputer zugreifen kann, die kompletten jährlichen Dämmerungsverläufe für die 365 Tage in Tabellen oder mathematisch erzeugten Kurvenverläufen abgebildet. Diese erwarteten Solldaten werden dann täglich von dem Mikrocomputer mit den detektierten aktuellen Dämmerungs-Werten verglichen, bewertet und die statistische Abweichung ermittelt.
  • Dabei müssen die täglichen Schwankungen der Zeiten, die sich z.B. aus unterschiedlich starken Bewölkungen ergeben, entsprechend berücksichtigt werden. Das hier beschriebene Verfahren der Referenzuhr ermöglicht es, diese Schwankungen mit relativ geringem Rechenaufwand drastisch zu reduzieren, so dass die sich daraus ergebenden Korrekturwerte als Referenz für die kontinuierliche Synchronisation bzw. das Nachstellen der internen Echtzeituhr herangezogen werden kann.
  • Bei der Erstinbetriebnahme der Referenzuhr muss die interne Systemzeit der Echtzeituhr auf die aktuelle Uhrzeit und auf das aktuelle Datum eingestellt werden. Weiterhin ist es sinnvoll, wie noch beschrieben wird, eine Vorab-Referenzierung durch das Abspeichern eines vorab ermittelten Korrekturwertes vorzunehmen. Hierzu ist mindestens eine Daten-Schnittstelle vorzusehen, durch welche dies realisiert werden kann. Dies kann eine drahtgebundene Computerschnittstelle, eine Funk- oder Infrarotschnittstelle, oder wie nachfolgend beschrieben eine getaktete Datenübertragung über das Versorgungsnetz sein, wobei durch rhythmisches EIN-AUS-Schalten des 230 V Netzes ein Datentransfer realisiert wird.
  • Begriffsdefinition: In der nachfolgenden Beschreibung wird der Begriff Loggen für das Detektieren und Protokollieren der mittleren Dämmerungsschwelle benutzt.
  • Das Loggen, Detektieren und Protokollieren der mittleren Erdumdrehung durch Ermittlung der Dämmerungszyklen erfolgt nach folgendem Verfahren:
  • Durch einen Photosensor, oder optional durch die Auswertung der Klemmenspannung einer Solarzelle, welche gleichzeitig die zum Betrieb notwendige Energie der Referenzuhr liefern kann, wird die Umgebungshelligkeit gemessen. Hierbei wird mit Hilfe einer Trigger-Schaltung mit fester oder variabel einstellbarer Schaltschwelle ein Dämmerungsschalter gebildet, welcher aus dem mittleren Dämmerungswert ein Schaltsignal generiert, so dass die Uhrzeit des Eintritts der Abenddämmerung und die Uhrzeit vom Ende der Morgendämmerung geloggt werden kann.
  • Bei der Konstruktion dieses Dämmerungsschalters und der Definition dessen Schalthysterese muss darauf geachtet werden, dass der Helligkeitswert, bei dem auf Nacht und wieder zurück auf Tag geschaltet wird, von Umgebungsbedingungen wie z.B. Bewölkung, Temperatur oder Betriebsspannung, Fremd- oder Kunstlicht nicht oder nur unwesentlich beeinflusst wird.
  • Es müssen zudem geeignete Vorkehrungen getroffen werden, die verhindern, dass bei geringen Helligkeitsschwankungen in der Dämmerungsphase mehrfach ein- und ausgeschaltet wird. Z.B. mit Hilfe von Zeitverzögerungen oder einer Schalthysterese, oder einer Kombination aus beidem. Die Zeitverzögerungen sowie die Schalthysterese können sowohl software- als auch hardwareseitig realisiert werden.
  • Wird diese Vorrichtung zur zeitgesteuerten Leistungsreduktion von Beleuchtungsanlagen verwendet, werden diese Leuchten normalerweise zentral über einen zentralen Dämmerungsschalter mit einem Photosensor derart geschaltet, dass die 230 V Stromversorgung durch diesen eingeschaltet wird. Hierbei kann das 230 V Einschalt- und Ausschaltsignal der Leuchten für das Loggen der Dämmerungszyklen verwendet werden.
  • Für die Ermittlung einer Referenz aus den Dämmerungszeiten kann die Morgendämmerung, die Abenddämmerung oder die Zeiten der Morgen- und Abenddämmerung herangezogen werden. Die hier vorgestellte Methode verwendet die gemessene Zeitdauer zwischen der Morgendämmerung und der Abenddämmerung.
  • Es ist für die Genauigkeit der Uhr unerheblich, ob die Zeiten in Minuten oder ob die Zeiten in Minuten und Sekunden geloggt werden, weil die geloggten Zeiten aufgrund vorgenannter Randbedingungen wie unterschiedlich starke Bewölkung stark schwanken können und deshalb Rundungsfehler durch die erforderliche nachfolgende statistische Auswertung eliminiert werden müssen.
  • Ermitteln einer Bezugsgröße aus den geloggten Dämmerungszeiten:
  • Eine Möglichkeit besteht darin, für das Loggen der Dämmerungszeiten auf dem Halbleiterspeicher des Prozessors eine Tabelle mit den vorausberechneten Dämmerungszeiten für einen ganzen Jahresrhythmus bezogen auf den Breitengrad des Standorts abzulegen, mit dem Datum der Echtzeituhr abzugleichen und daraus eine Bezugsgröße abzuleiten.
  • Dies bedeutet jedoch, dass die Standort- und wetterbedingten Helligkeitsschwankungen einen großen Einfluss auf die Uhrzeit haben, welche mit entsprechendem Aufwand herausgerechnet werden müssen.
  • Eine bessere Methode ist es, wenn aus den Schaltzyklen der Dämmerungszeiten mit statistischen Methoden eine hinreichend genaue Bezugsgröße abgeleitet wird. Diese wird dann für die Ermittlung einer Referenz zur realen Uhrzeit herangezogen.
  • Damit aus den Informationen von Datum, Schaltzyklus und statistischem Mittel ein konstanter Wert gebildet werden kann, müssen die jahreszeitlich bedingten und Standort bedingten zeitlichen Schwankungen bei der statistischen Erfassung der Schaltzyklen berücksichtigt werden.
  • Wird als Bezugsgröße das arithmetische Mittel vom Zeitpunkt der Morgendämmerung und dem Zeitpunkt der Abenddämmerung verwendet, so ist eine Korrektur entsprechend der in Fig. 1 gezeigten Zeitgleichungskurve vorzunehmen.
  • Die Berechnung und die Theorie der Zeitgleichungskurve ist in der Astronomie hinreichend bekannt und wird deshalb nicht weiter erläutert.
  • Die hier beschriebene Methode der Korrektur ist verhältnismäßig unempfindlich in Bezug auf unterschiedliche Einsatzorte. Naturgemäß ist sie jedoch für den Einsatz nördlich oder südlich der beiden Polarkreise-nicht geeignet.
  • Für Deutschland, Österreich, Schweiz kann die in Fig. 1 gezeigte Zeitgleichungskurve für die Korrektur verwendet werden. Für weiter nördlich oder südlich liegende Einsatzorte ist die Anwendung einer für diese Regionen optimierten Zeitgleichungskurve zu empfehlen.
  • Das zeitliche Mittel kann nach folgender Formel berechnet werden: Uhrzeit der Morgend ⁢ a ¨ ⁢ mmerung + Uhrzeit der Abendd ⁢ a ¨ ⁢ mmerung / 2 + Korrekturwert .
    Figure imgb0003
  • Der so erhaltene Wert ist um jahreszeitlich bedingte Schwankungen bereinigt und unterliegt allerdings noch den wetterbedingten Schwankungen.
  • Um daraus einen stabilen Wert zu erhalten, wird der Wert entweder in einer Tabelle gespeichert und daraus das arithmetische Mittel berechnet, oder, was effektiver ist, es wird eine kontinuierliche arithmetische Integration durchgeführt. Je mehr Schaltzyklen in diese Integration einfließen, desto geringer sind die Schwankungen bzw. um so geringer ist der Einfluss der wetterbedingten Schwankungen.
  • Der Wert, der das statistische Mittel darstellt, wird sinnvollerweise nicht ganzzahlig berechnet, sondern derart, dass daraus die Sekunden abgeleitet werden können.
  • Der so erhaltene Wert ist relativ stabil und weicht je nach Genauigkeit der Korrekturkurve, der Statistikmethode und der Anzahl der in die Statistik einfließenden Werte im Verlauf der Jahrzehnte nur in einer sehr engen Bandbreite ab und kann als Basis für das Nachführen der Echtzeituhr verwendet werden. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist bei einem statistischen Mittel von 50 Tagen die tägliche Schwankung des Statistikwertes ohne besondere Optimierungen bereits deutlich unter einer Minute, nach einer Betriebszeit von einem Jahr deutlich unter 5 Sekunden.
  • Die in Fig. 1 gezeigte Zeitgleichungskurve ändert sich im Laufe der Jahrzehnte im Sekundenbereich und muss, wenn die Uhr über Jahrzehnte sekundengenau gehen soll, entsprechend angepasst oder mit einem Offset belegt werden.
  • Als Ergebnis resultiert, dass die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Referenzuhr mit zunehmender Betriebsdauer immer besser wird.
  • Stabilitäts-Optimierungen des statistisch ermittelten Wertes:
  • Aus Fig. 3 ist auch ersichtlich, dass die zeitlichen Schwankungen durch unterschiedlich starke Bewölkung dem Zufallsprinzip folgend für einige Tage einseitig in die gleiche Richtung tendieren können. Zur Vermeidung dieses, sowie von anderen temporären Fehlern kann das nachfolgend beschriebene Verfahren angewandt werden.
  • Hierbei wird geprüft, ob die Zeiten des detektierten Dämmerungszyklus in dem zu erwartenden Rahmen der im Festwertspeicher abgelegten Daten liegen. Liegen die Zeitpunkte weit außerhalb des Rahmens, handelt es sich mit Sicherheit um Ausnahmesituationen wie z.B. temporäre Abschattungen durch Personen / Tiere oder Wartungsbetrieb der beispielsweise Beleuchtungen und werden in der kontinuierlichen statistischen Berechnung nicht berücksichtigt.
  • Außergewöhnliche Wettersituationen spielen jedoch eine bedeutende Rolle bei der Stabilität des statistisch ermittelten Wertes. Beobachtungen hierzu ergaben, dass die zeitlichen Schwankungen des Mittelwertes aufgrund unterschiedlicher Bewölkung normalerweise relativ gering sind und sich zwischen 0 und 5 Minuten bewegen. Bei nachmittäglichen schweren Gewittern oder winterlicher Bewölkung mit Schneefall sind allerdings Abweichungen von mehr als einer Stunde nicht außergewöhnlich.
  • Es ist also naheliegend, diese Werte bei der Ermittlung der Statistik nicht zu berücksichtigen. Die Schwierigkeit dabei liegt jedoch darin, einen allgemein gültigen und sinnvollen Grenzwert festzulegen. Eine bessere Methode ist es, alle Werte zu berücksichtigen, jedoch je nach Stärke der Abweichung vom Mittelwert mit unterschiedlicher Gewichtung.
  • Da die wetterbedingten Abweichungen für den Einschaltzeitpunkt und für den Ausschaltzeitpunkt generell nur in einer Richtung erfolgen (früheres Einschalten am Abend und späteres Ausschalten am Morgen) und dagegen die Helligkeitsverläufe bei klarem Himmel praktisch konstant sind (weil einen helleren Himmel als einen klaren Himmel gibt es nicht), macht es Sinn, dies bei der Gewichtung ebenfalls zu berücksichtigen.
  • Diese Optimierungen verbessern das Ergebnis nur noch zu einem geringen Teil. Versuche ergaben, dass schon gute Ergebnisse erzielt werden, wenn jeweils gleich hohe Werte in die Statistik einfließen, welche je nach dem, ob der gemessene Wert größer oder kleiner als das bereits berechnete Mittel ist, ein positives oder ein negatives Vorzeichen enthält. Für Anwendungen mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit kann diese Methode bereits ausreichend sein.
    • Nachstellen der Uhr nach dem statistisch ermittelten Referenzwert:
  • Nach der Erstinbetriebnahme der Referenzuhr und dem erstmaligen Einstellen der Uhrzeit richtet sich die systeminterne Uhrzeit ausschließlich nach der Ganggenauigkeit der internen Echtzeituhr und der Präzision deren Taktgenerators. Zugleich wird mit dem Erstellen der Statistik für die Dämmerungszyklen begonnen. Ist das System ausreichend lange in Betrieb, so wird der statistische Mittelwert als Referenzwert einmalig und dauerhaft gespeichert.
    • Alternativen zur Erstellung des Referenzwertes:
  • In der Regel wird die vorgenannte und beschriebene Methode, den Referenzwert mit der integrierten Echtzeituhr zu erstellen, die optimale Methode darstellen.
  • Trotzdem gibt es Situationen, in denen es vorteilhafter sein kann, den Referenzwert auf eine andere Art zu ermitteln. Z.B. wenn die Referenzuhr im Verbund, wie bei Straßenbeleuchtungen üblich, betrieben wird und einige neue Referenzuhren zu einem späteren Zeitpunkt hinzukommen. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass inzwischen der zentrale, als Dämmerungssensor dienende Photosensor, der bei Dämmerung die 230V Stromversorgung der Leuchten einschaltet, in seiner Schalt-Charakteristik verändert wurde. Das könnte dazu führen, dass die neuen Referenzuhren bei der Berechnung des Referenzwertes zu einem geringfügig anderen Ergebnis kämen. Um dies zu vermeiden, können die neu hinzugekommenen Referenzuhren bereits vor deren Installation auf den gleichen Referenzwert wie die bisher im Systemverbund vorhandenen Referenzuhren eingestellten werden. Hierzu ist dann die Möglichkeit vorzusehen, die Referenzwerte der bisher installierten Referenzuhren abzulesen, um diese dann in die neu installierten Referenzuhren einzulesen.
  • Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass aus den Geo-Positionsdaten des vorgesehenen Einsatzortes der entsprechende Referenzwert separat berechnet wird und die neu zu installierenden Referenzuhren mit diesem Referenzwert voreingestellt werden. Für die Berechnung können die bekannten Umrechnungsformeln von der WOZ (wahre Ortszeit) in die MEZ (Mitteleuropäische Zeit) herangezogen werden.
  • Dabei ist zu beachten, dass eine Berechnung des Referenzwertes aus den Geo-Positionsdaten zu einer geringeren Genauigkeit führen wird. Der absolute statistische Mittelwert, der am Einsatzort aus den Dämmerungszyklen erstellt wird, hängt im Wesentlichen von folgenden Faktoren ab:
    • - Ausrichtung und / oder einseitige Ost-West-Verschattung des Photosensors:
  • Eine einseitige Verschattung führt zu einer unterschiedlichen Uhrzeit bei der Detektion von der Morgendämmerung und von der Abenddämmerung und führt damit zu einer Verschiebung des statistischen Mittelwertes.
    • - Hysterese des Photosensors:
  • Der Photosensor weist eine Schalthysterese auf, die verhindern soll, dass bei Eintritt oder Ende der Dämmerung und schwankender Helligkeit durch unterschiedlich starke Bewölkung der Sensor mehrfach schaltet. Diese Eigenschaft bewirkt allerdings auch, dass der Helligkeitswert, der die abendliche Dämmerung detektiert, einen anderen Helligkeitswert darstellt, als der Wert, der die morgendliche Dämmerung detektiert. Dies bewirkt ebenso eine zeitliche Verschiebung des detektierten Mittelwertes.
  • Dieser Effekt kann jedoch dadurch minimiert werden, dass der Photosensor und die nachfolgende Schaltung welche die Triggerschwelle definiert so gestaltet wird, dass für die Detektion der Abenddämmerung und der Morgendämmerung unterschiedliche Schalthysteresen definiert werden. Die Umschaltung zwischen den beiden Hysteresen kann dann beispielsweise jeweils um 12h00 und 24h00 erfolgen. Durch diese Gestaltung erfolgt dann die Triggerung jeweils bei den gleichen Helligkeitswerten.
  • Weitere Faktoren wie z.B. die Beeinflussung durch Fremdlicht, die Himmelsrichtung, nach welcher der Photosensor ausgerichtet ist, beeinflussen den Absolutwert des statistischen Mittelwertes zusätzlich.
  • Wenn die Ermittlung des Referenzwertes nach der erstgenannten Methode, bei welcher der Referenzwert durch die integrierte Echtzeituhr erstellt und übernommen wird erfolgt, ist der Absolutwert des Mittelwertes und damit der absolute Wert des Referenzwertes ohne Belang, weil bei der Erstellung dieses Wertes alle o.g. Faktoren in die Ermittlung des Wertes bereits eingeflossen sind.
  • Wird der Referenzwert allerdings ausschließlich aus den Geo-Positionsdaten berechnet, führen die o.g. Faktoren zu einer entsprechenden Abweichung. Systembedingte Faktoren wie z.B. die Eigenschaften des Photosensors und dessen Hysterese können rechnerisch berücksichtigt werden, Faktoren wie die Ausrichtung des Photosensors, Verschattung, Fremdlicht in der Regel jedoch nicht.
    • Festlegen des optimalen Zeitpunktes zum erstellen des Referenzwertes:
  • Für die Erstellung dieses Zeitpunktes kann keine allgemein gültige Regel festgelegt werden, weil die Festlegung dieses Zeitpunktes je nach Anwendung und Einsatz der Referenzuhr/en unter anderen Gesichtspunkten erfolgen kann.
  • Für den Fall, dass die in der Referenzuhr enthaltene Echtzeituhr bei der Inbetriebnahme einmalig gestellt wird, kann die Festlegung dieses Zeitpunktes gemäß der in Fig. 2 gezeigten Grafik erfolgen. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Abweichungen, die sich aus der Statistik ergeben und die Abweichung, die sich aus der Drift der Echtzeituhr ergibt, bei fortschreitender Betriebsdauer gegenläufig. Beide Abweichungen addieren sich und bilden den Kurvenverlauf 3.
  • Die Kurve 3 folgt zunächst der Statistikabweichung 2 nach unten und nähert sich der Kurve 1, der Drift der Echtzeituhr oder RTC an. Sie steigt dann wieder entlang der Drift der RTC nach oben an.
  • Der Zeitpunkt 4, an dem die Kurve 3 ihren Tiefpunkt erreicht hat, ist der optimale Zeitpunkt für das Erstellen des Referenzwertes.
  • Wird die Statistik fortlaufend als gleitende Statistik über die gleiche Anzahl Zyklen geführt, auch wenn keine weiteren Optimierungen vorgenommen werden, so bleibt die maximale Abweichung über die gesamte Lebensdauer der Uhr auf dem Wert 5 und sie schwankt aufgrund der fortgeführten Statistik maximal um den Wert 6.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Grafik ist zur besseren Darstellbarkeit nicht maßstäblich gezeichnet und deshalb nicht mit realen Werten versehen. Ebenso hängt der Kurvenverlauf der Statistikwerte von der Methode der Statistik-Erstellung ab und kann je nach Methode eine andere Form besitzen.
  • Ab dem Zeitpunkt, von welchem der Referenzwert erstellt wurde, wird die Uhrzeit der in der Referenzuhr enthaltenen Echtzeituhr regelmäßig wie folgt neu gestellt: Neue Uhrzeit = aktuelle Uhrzeit + Referenzwert - aktuelles statistsches Mittel .
    Figure imgb0004
  • Eine geänderte Uhrzeit hat zur Folge, dass sich der statistische Mittelwert erst innerhalb der nächsten Dämmerungszyklen langsam ändert. Jeder weitere Stellzyklus würde die Uhrzeit der Echtzeituhr erneut in die gleiche Richtung verstellen, was zu einer Überkorrektur und zu stark schwankenden Uhrzeiten führen würde.
  • Um dies zu vermeiden, muss zugleich mit dem verstellen der Uhrzeit jeder Tabelleneintrag in der Statistik um den gleichen Betrag korrigiert werden bzw. bei mathematischer Integration muss dieser Betrag entsprechend berücksichtigt werden.
  • Ist die Referenzuhr ausreichend lange in Betrieb, kann davon ausgegangen werden, dass sich der statistische Mittelwert tendenziell nicht mehr ändert und dass der Wert aufgrund der Wetterbedingungen nur noch im Sekundenbereich innerhalb gleicher Grenzen schwankt. Wird die Uhrzeit der Echtzeituhr weiter entsprechend vorgenannter Methode nachgeführt, wirkt sich diese Schwankung direkt auf die Anzeige der Referenzuhr aus.
  • Diese Schwankung kann drastisch verringert werden, wenn von nun an oder successive steigernd die Methode für das nachführen der Echtzeituhr oder die Methode für die Erstellung des statistischen Mittelwertes gewechselt wird.
  • Die Tatsache, dass die wetterbedingten Schwankungen des statistischen Mittelwertes (0 bis mehrere Sekunden / Tag) deutlich größer sind, als die Drift der Echtzeituhr, kann dazu genutzt werden, diese kurzfristigen Schwankungen zu eliminieren.
  • Dazu wird entweder von nun an bei jeder weiteren Berechnung des statistischen Mittelwertes die Gewichtung neuer Dämmerungszyklen stark reduziert oder die Echtzeituhr wird beim Nachstellen jeweils nur um einen Bruchteil einer Sekunde verstellt. Dies bewirkt, dass die Uhrzeit nur noch gering schwankt und dass sie sich successive weiter dem genauen Mittelwert nähert. Es kann auch eine Kombination beider Methoden angewendet werden.
  • Bei der Wahl der Schrittweite für das nachstellen der Echtzeituhr muss darauf geachtet werden, dass die Schrittweite groß genug ist, um die Drift der Echtzeituhr unter allen Bedingungen zu kompensieren.
    • Zeitpunkt für das Nachstellen der Uhr:
  • Der Zeitpunkt für das Nachstellen der Uhr richtet sich nach dem vorgesehenen Anwendungsbereich. Wird die Uhr als normale Uhr zur Zeitanzeige betrieben, bietet es sich an, die Uhr zu einem Zeitpunkt nachzustellen, in dem die Uhr selten beobachtet wird. Z. B. in der Nacht um 2:00 Uhr.
  • Wird die Uhr nicht zur Zeitanzeige, sondern für das Schalten von Leuchten, für das zeitlich gesteuerte Dimmen von Leuchten oder für andere zeitlich gesteuerte und synchron abzulaufende Schaltvorgänge verwendet, sollte der Zeitpunkt mit einem festgelegten Schaltvorgang synchronisiert werden.
    • Sommerzeitumstellung:
  • Da die Uhr über eine interne Datumsanzeige verfügt, kann eine automatische Sommerzeitumstellung auf die regionale Sommerzeit implementiert werden.
    • Ersatzbetrieb oder Notbetrieb bei Ausfall der Echtzeituhr:
  • Bei sensiblen Anwendungen, bei welchen die sichere Funktion der Referenzuhr eine sehr große Bedeutung hat, kann deren Funktionssicherheit durch die nachfolgend dargestellten Konstruktions- und Funktionsmerkmale erhöht werden.
  • Für den Fall, dass die Referenzuhr oder deren interne Echtzeituhr durch einen technischen Defekt oder durch eine Störung in der Energieversorgung oder durch eine elektromagnetische Störung nicht mehr betriebsbereit ist, kann ein optionaler Ersatz-Betriebsmodus vorgesehen werden.
  • Sollte die Echtzeituhr eine Fehlfunktion haben, so wird von dieser ein Fehlerflag gesetzt, welches von dem Mikrocomputer ausgelesen und entsprechend ausgewertet werden kann. Außerdem kann bei jedem Dämmerungszyklus das Datum auf Veränderung überprüft werden. Bei einem neuen Dämmerungszyklus mit gleichem Datum wird dann auf eine Fehlfunktion geschlossen.
  • In diesem Fehlerfall wird auf den Ersatz-Betriebsmodus umgeschaltet. Bereits während des Normalbetriebs wird für diesen Fall vorsorglich eine Statistik der Dauer der Dämmerungszyklen erstellt, kontinuierlich weitergeführt und in dem Festwertspeicher abgelegt. Hierbei wird die Zeit zwischen den beiden täglichen Dämmerungszyklen geloggt und der statistische Mittelwert berechnet.
  • Wird nun auf den Ersatzbetrieb umgeschaltet, übernimmt der Mikrocomputer die Funktion der Echtzeituhr und generiert entsprechend die Uhrzeit. Wegen der niedrigeren Präzision der Taktgenerators des Mikrocomputer wird sich die zeitliche Stabilität der Referenzuhr jedoch zwangsläufig verschlechtern.
  • Während des Ersatzbetriebes können zwar keine jahreszeitlichen Korrekturen vorgenommen werden, aber die Referenzzeit, die den Bezug zwischen der realen Uhrzeit und den Dämmerungsschaltzyklen herstellt, kann weiterhin verwendet werden. Ist eine automatische Sommerzeitumstellung konfiguriert, so können die Schaltzeiten um eine halbe Stunde verschoben werden und damit ganzjährig eine "halbe Sommerzeit" realisieren. Denkbar ist auch, dass anhand der vorgegebenen, jahreszeitlich unterschiedlichen Dämmerungszyklen auf die Jahreszeit geschlossen wird und dass daraus der ungefähre Zeitraum für eine Sommerzeitumstellung festgestellt wird.
  • Der Ersatzbetrieb wird beendet, wenn die Uhrzeit manuell neu gestellt wird. So kann nach Beseitigung der Störung der Normalbetrieb fortgesetzt werden.
  • Redundanz: Die Echtzeituhr sowie der Mikroprozessor mit seinen zugehörigen Komponenten können beispielsweise auch als Funktionseinheit jeweils zweimal vorhanden sein. Hierbei arbeiten die beiden getrennten Funktionseinheiten A und B parallel, wobei im Normalfall die Funktion von A realisiert wird. Sollte nun die Funktionseinheit A eine Funktionsstörung aufweisen, wird deren Funktion von B übernommen. Dieses Gestaltungsmerkmal der Redundanz ist seit langem bekannt und entspricht dem Stand der Technik.
    • Programmieren der Uhrzeit und Datentransfer:
  • Die Übertragung der für die Inbetriebnahme und den Betrieb notwendigen Parameter kann auf verschiedenste Weise erfolgen, wie z.B. per Seriell-Schnittstelle, USB-Schnittstelle oder anderen drahtgebundenen Computerschnittstellen.
  • Beim Einsatz der Referenzuhr im Verbund, für die Dimmung von Flächenbeleuchtungsanlagen, werden die Parameter-Daten jedoch vorzugsweise über das gemeinsame 230 V Stromversorgungsnetz übermittelt. Als einfaches Verfahren, welches auch in der Lage ist, Hindernisse wie z.B. elektromagnetische oder elektronische Schalter zu überwinden, ist es möglich, die Übertragung der Informationen als rhythmisches ein- und ausschalten der Versorgungsspannung durchzuführen.
  • Diese Datenübertragung sollte aus Sicherheitsgründen vorzugsweise bei hellem Tageslicht durchgeführt werden, um Irritationen der Verkehrsteilnehmer zu vermeiden.
  • Die Codierung der Informationen erfolgt vorzugsweise durch das kurzzeitige Ein- / Ausschalten der 230 V Wechselstromversorgung. Hierzu werden die zeitliche Länge der EIN und AUS Zeiten, sowie die Pausen zwischen den einzelnen Bit und den Zeichen zeitlich definiert. Zur Definition der einzelnen Zeichen kann beispielsweise der bekannte ASCII Code mit entsprechenden Kurz- Lang- Wechseln benutzt werden.
  • Zur Reduzierung der zu übertragenden Bitzahl wird jedoch vorzugsweise und erfindungsgemäß, ein spezieller Code eingesetzt. Dieser Code für die Eingabe der Dimmzeiten besteht vorzugsweise aus vier Ausschaltfolgen mit unterschiedlich langen Zeiten. Beispielsweise Lang, Lang, kurz, Lang.
  • Wird vom Mikrocomputer des Systems diese Zeichenfolge empfangen, so werden zwei weitere Ausschaltfolgen erwartet, deren Zeitdauer jeweils gemessen wird. Damit nicht unnötig lange Programmierzeiten entstehen, wird hier jede Sekunde vom System als Viertelstunde interpretiert.
  • Zur Vereinfachung der Eingabe, werden die Dimmzeiten von Mitternacht aus betrachtet. Die erste übertragene Zeitinformation (Beginn der Dimmung) ist die Zeit in Viertelstunden vor Mitternacht, die zweite übertragene Zeitinformation (Ende der Dimmung) ist die Zeit in Viertelstunden nach Mitternacht.
  • Die Eingabe von Lang, Lang, Kurz, Lang, 8 Sekunden, 20 Sekunden Bedeutet beispielsweise, dass die Dimmung um 22:00 Uhr beginnen und um 5:00 Uhr enden soll.
  • Die Datenübertragungen werden von der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Plausibilität überprüft. Nur sinnvolle Eingaben werden als Änderungen akzeptiert. So werden ungewollte Änderungen durch zufällige Schaltfolgen verhindert.
  • Wird die Vorrichtung zur automatischen Dimmung in eine Leuchte integriert, so bietet sich ein weiteres Verfahren zur Übertragung der Konfigurationsdaten an: Die Daten werden mittels eines codierten Lichtsignals, z.B. Infrarotlicht, übertragen. So ist es möglich, Konfigurationsänderungen wie z.B. die Dimmzeiten, ohne Werkzeug durch die transparente Leuchtenabdeckung hindurch, vom Boden aus zu verändern. Änderungswünschen z.B. von Anwohnern, können so ohne großen Aufwand individuell entsprochen werden.
  • Zur Kontrolle der Konfigurationen, der Betriebszustände und als Quittungsinformation für eine gelungene Neu-Programmierung ist es sinnvoll, eine entsprechende Anzeigemöglichkeit vorzusehen. Da dieses System der Kosteneinsparung durch Energieeinsparung dient, sollte auch diese Anzeige möglichst geringe zusätzliche Kosten verursachen. Deshalb wird hier die Verwendung einer einfachen Leuchtdiode vorgeschlagen. Durch rhythmisches blinken in vordefinierter Weise können so alle Konfigurationen und Betriebszustände angezeigt werden.
  • Im Grundzustand, nach dem Einschalten, wird so z.B. der Modus, die Dimmzeit 1 und die Dimmzeit 2 angezeigt, ähnlich wie bei der Eingabe der Konfiguration.
  • Das obige Beispiel mit den Dimmzeiten wird wie folgt angezeigt:
    Lang, Lang, Kurz, Lang, Pause, 8 kurze Impulse, Pause, 20 kurze Impulse.
    Das bedeutet: Modus eins, 8x15 Minuten vor Mitternacht (22:00 Uhr) Dimm-Beginn,
    20x15 Minuten nach Mitternacht (5:00 Uhr) Dimm-Ende.
    Um andere Informationen wie z.B. Uhrzeit, Datum, Referenzzeit anzuzeigen, kann das durch vorheriges einleiten durch einen entsprechenden Code veranlasst werden.
    • Anwendungsbeispiel 1, Dimmen von Straßenbeleuchtung und anderen Flächenbeleuchtungsanlagen:
  • Die erfindungsgemäße Funktion der Referenzuhr kann in verschiedene Anwendungen integriert werden. Als ein erfindungsgemäßes Anwendungsbeispiel wird nachfolgend eine autark arbeitende Schaltvorrichtung für Flächenbeleuchtungsanlagen beschrieben.
  • Die beschriebene Vorrichtung, welche eine erfindungsgemäße Referenzuhr beinhaltet, dient dazu, zu vordefinierter nächtlicher Zeit zur Energieeinsparung vorzugsweise Straßenbeleuchtungen zu dimmen, bzw. auszuschalten. Wie bereits ausgeführt, ist es zur Akzeptanz und aus Gründen der Verkehrssicherheit notwendig, dass bei allen Leuchten ein gleichzeitiges Schalten mit möglichst präzise übereinstimmenden Schaltzeiten gewährleistet ist. Weiterhin darf aus Gründen der Verkehrssicherheit die Dimmung nur innerhalb der dafür vorgesehenen, verkehrsberuhigten Zeiten erfolgen.
  • Zur Realisierung dieser Funktion wird in jede Leuchte eine vom 230 V Versorgungsnetz der Leuchten mit elektrischer Energie versorgte programmierbare Schaltvorrichtung eingebaut.
  • Diese Vorrichtung beinhaltet mindestens eine erfindungsgemäße Referenzuhr, die zum Betrieb der Referenzuhr benötigte 230 V Stromversorgung mit Pufferung und mindestens ein vorzugsweise elektronisches Relais. Die Pufferung der Stromversorgung ist erforderlich, damit während der Tagphase, also der Zeit, in welcher die Leuchten normalerweise durch das Abschalten des 230 V Netzes ausgeschaltet sind, die Stromversorgung der Referenzuhr aufrecht zu halten.
  • Dies können vorzugsweise chemische Akkus oder hochkapazitive Kondensatore sein.
  • Die erfindungsgemäße Funktion wird, wie bereits genannt, durch die Referenzuhr mit integrierter Echtzeituhr und einem Mikrocomputer mit den zugehörigen Komponenten und einem Computerprogramm realisiert. Hierbei sind mindestens die folgenden Komponenten vorhanden:
  • Ein vorzugsweise handelsübliches IC, welches die Funktion der Echtzeituhr und des Taktgenerators beinhaltet und ein handelsüblicher Mikrocomputer und ein in den Mikrocomputer integrierter und/oder als separates IC realisierter programmierbarer Festwertspeicher und ein Photosensor zur Detektion des Tageslichtes und/oder eine auf andere Weise realisierte Anbindung an einen externen Photosensor, zur Detektion des Tageslichtes. Diese vorgenannten Komponenten bilden zusammen mit dem Computerprogramm, durch welches die Funktionen realisiert werden die erfindungsgemäße Referenzuhr.
  • Die Anbindung an den genannten externen Photosensor erfolgt vorzugsweise durch die Detektion der Ein- und Ausschaltzeiten des zum Betrieb der Leuchten erforderlichen 230 V Wechselstrom Versorgungsnetzes.
  • Zusätzlich wird zum Betrieb der Referenzuhr eine vorzugsweise durch Kondensator oder Akku gepufferte 230 V Stromversorgung, oder eine durch chemische Batterien zur Versorgung der vorgenannten Komponenten dienende Stromversorgung benötigt. Die Pufferung der 230 V Stromversorgung muss derart ausgelegt sein, dass ein Betrieb von mindestens 24 Stunden realisiert werden kann.
  • Damit die Leuchten zu den vorgesehenen Zeiten geschaltet oder gedimmt werden können, ist mindestens ein von der Referenzuhr angesteuertes vorzugsweise Halbleiterrelais oder Thyristor oder Transistor vorhanden.
  • Die bisher bekannten Schalt-Vorrichtungen mit ähnlichen Anwendungszielen, verfügen über keine Möglichkeit, jahreszeitliche Korrekturen des Schaltverhaltens zu realisieren. Durch den internen Kalender der erfindungsgemäßen Referenzuhr ist es jedoch möglich, zu eindeutig definierbaren Kalenderdaten oder den entsprechenden Jahreszeiten, unterschiedliches Schaltverhalten und dadurch präzise und explizit im Voraus programmierbare Dimmzeiten zu realisieren.
  • Die vorgenannten Komponenten werden in ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff eingebaut und werden in diesem vorzugsweise durch isolierende Vergussmassen hermetisch vergossen.
  • Die Form dieser Gehäuse ist vorzugsweise als rundes oder eckiges Rohr gestaltet. Diese Gehäuse bestehen nach bereits bekanntem Verfahren entweder aus Rohrabschnitten oder aus vorgefertigten Formstücken. Die Vergussmassen bestehen vorzugsweise aus Zweikomponenten-Harzen, Zweikomponenten-Elastomeren, Zweikomponenten-Schäumen oder Zweikomponenten-Silikonmassen. Optional können auch wärmevernetzbare oder anderweitig vernetzbare Vergussmassen eingesetzt werden. Sowohl die Gestaltung der Gehäuse, als auch das hermetische Vergießen der Elektronik entspricht dem Stand der Technik.
  • Der elektrische Anschluss erfolgt entweder durch isolierte Drähte, welche aus der Vergussmasse herausragen, oder aus einer oder mehrerer Klemmleiste/n für externe Verdrahtung, welche aus der Vergussmasse herausragen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Referenzuhr und den Schaltkomponenten kann sowohl in der Leuchte, als auch im in den Fuß des Leuchtenmastes, im Bereich des Sicherungs- und Klemmkastens montiert werden. Hierbei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch die hermetische Abdichtung der Komponenten gegen schädliche Umwelteinflüsse wie beispielsweise Feuchtigkeit geschützt.
  • Diese Montageart im Fuß des Leuchtenmastes hat folgende Vorteile:
    • Das Modul ist für Wartungs- und Installationsarbeiten ohne Hilfsmittel wie Leitern und Hubsteiger zugänglich
    • Das gleiche Modul ist für unterschiedliche Leuchtentypen verwendbar
    • Anzeigeelemente für den Systemzustand sind ohne Hilfsmittel wie z. B. Leitern oder Hubsteiger zugänglich
  • Anwendungsbeispiel 2, als Systemuhr in Steuerungen und Regelungen, die autark im Freigelände arbeiten und auf eine unabhängige, langfristig stabile Uhrzeit angewiesen sind.
  • Es ist denkbar, dieses System für das nachführen von Echtzeituhren auch in Verkehrssteuerungsanlagen oder anderen Steuerungen einzusetzen, die autark im Freigelände eingesetzt sind und auf eine langfristig stabile Uhrzeit angewiesen sind. Diese Uhren sind dann aufgrund der Unabhängigkeit von externen Zeitsignalen besonders zuverlässig.
    • Bezugsziffern aus Fig. 1 - 3
    1. 1 Zunehmende Abweichung der Echtzeituhr (RTC) bei zunehmender Zeit
    2. 2 Abnehmende Abweichung des statistischen Mittelwertes bei zunehmender Anzahl der gemessenen Dämmerungszyklen
    3. 3 Summe der Abweichungen aus 1 und 2
    4. 4 Optimaler Zeitpunkt für das erstellen der Referenz
    5. 5 Maximale Abweichung über die gesamte Lebensdauer, bei Anwendung des statistischen Mittelwertes ohne zusätzliche Optimierungen
    6. 6 Maximale Schwankungsbreite, bei Anwendung des statistischen Mittelwertes ohne zusätzliche Optimierungen
    7. 7 Kurvenverlauf der gemessenen Zeit, indem die Mitte der Zeit der Morgendämmerung und der Abenddämmerung angetragen ist
    8. 8 Kurvenverlauf des Wertes von 7, um den Korrekturwert aus Fig. 1 berichtigt
    9. 9 Arithmetisches Mittel von 8, jeweils vom 1. Wert an berechnet

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Realisierung einer langzeitstabilen Referenzuhr, dadurch gekennzeichnet, dass diese sich selbsttätig nachstellt, wobei die Erdumdrehung und dementsprechend die täglichen Dämmerungszyklen als zeitliche Referenz herangezogen werden und diese aus einem Mikrocomputer oder einer festverdrahteten oder programmierbaren digitalen Logik und einer Echtzeituhr einschließlich Taktgenerator besteht, welche vorzugsweise von einem handelsüblichen, speziellen Echtzeituhr IC gebildet wird und dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik ein programmierbarer Halbleiter Schreib-Lese Datenspeicher derart zugeordnet ist, dass dessen Daten von dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik beschrieben und ausgelesen werden können und in dem Halbleiterspeicher für die 365 Tage des Jahres die Zeiten der vorzugsweise mitteleuropäischen Zeit der täglichen Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge gespeichert sind und zusätzlich die Daten der Schaltjahre gespeichert sind und in dem Mikrocomputer ein Computerprogramm abläuft, oder die digitale Logik welches die erfindungsgemäßen Funktionen realisiert derart organisiert ist, dass die erfindungsgemäßen Funktionen realisiert werden und der Mikrocomputer oder die digitale Logik so gestaltet ist, dass die von einem zentralen oder dezentralen Photosensor detektierte Helligkeit der beiden täglichen Dämmerungszyklen oder das zentralgesteuerte Ein- und Ausschalten des 230 V Wechselspannung Versorgungsnetzes von dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik ausgelesen werden können und deren Zeit des Schaltereignisses zur Erstellung eines Referenzwertes zur zeitlichen Nachführung der Echtzeituhr dienen und dass dieser Referenzwert aus dem statistischen Mittelwert der aktuellen und der vorausgegangenen morgendlichen und abendlichen Dämmerungszyklen gemäß der Funktion, dass sich die neue Uhrzeit aus der Addition des täglich aus den Sonnenaufgängen und Sonnenuntergängen ermittelten temporären Referenzwertes zur aktuellen Uhrzeit ergibt, von welchem jedoch das kontinuierlich und täglich korrigierte und weitergeführte, statistische Mittel abgezogen wird und mit den im Halbleiterspeicher abgelegten täglichen Solldaten der Sonnenaufgänge und Sonnenuntergänge nach Datum- und Zeitinformationen, sowie den aktuellen Daten der Echtzeituhr gemäß Uhrzeit, Tag, Monat und Jahr verglichen werden und daraus der statistische Mittelwert gebildet wird, welcher zum kontinuierlichen Nachstellen der Echtzeituhr dient.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Referenzwertes zur Nachführung der Echtzeituhr aus dem statistischen Mittelwert der aktuellen und der vorausgegangenen morgendlichen und abendlichen Dämmerungszyklen erfolgt, und dass diese Statistik in der Weise fortgeführt wird, dass bei sehr großen täglichen temporären Abweichungen der Einfluss dieses temporären Wertes auf den statistisch fortgeführten Mittelwert mittels geringerer oder successive geringer werdender Gewichtung minimiert wird und dass dann dieser entsprechend gewichtete Mittelwert zur Korrektur der Echtzeituhr herangezogen wird.
  3. Vorrichtung gemäß der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Referenzwertes zur Nachführung der Echtzeituhr aus dem statistischen Mittelwert der aktuellen und der vorausgegangenen morgendlichen und abendlichen Dämmerungszyklen erfolgt, welche um die Zeitgleichungskurve (Fig.1) korrigiert wird und dass dieser Referenzwert regelmäßig mit dem fortgeführten statistischen Mittelwert verglichen wird und bei einer Differenz die Echtzeituhr bei einem regelmäßigen Stellzyklus um einen festen, von der Differenz unabhängigen Wert korrigiert wird, dessen Vorzeichen dem der ermittelten Differenz entspricht.
  4. Vorrichtung gemäß der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Programmieren des Mikrocomputers und des Datenspeichers, sowie zum Voreinstellen der Uhrzeit der Echtzeituhr sowie zur Wahl der Betriebsmodi eine drahtgebundene Computerschnittstelle und/oder eine serielle Infrarot Datenübertragungsschnittstelle vorhanden ist und dass ein Betriebsmodus zur Umschaltung zwischen Sommerzeit und Winterzeit und ein Betriebsmodus zur Voreinstellung des Längengrades oder dessen zeitlicher Auswirkung vorhanden ist.
  5. Vorrichtung gemäß der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stromversorgung eine vorzugsweise durch Akkus oder hochkapazitive Kondensatore gepufferte Netzgespeiste 230 V Stromversorgung vorhanden ist, welche bei ausgeschaltetem Versorgungsnetz die Stromversorgung für mindestens für 24 Stunden gewährleistet und mindestens ein von dem Mikrocomputer oder der digitalen Logik angesteuertes, vorzugsweise Halbleiterrelais oder Thyristor oder Transistor vorhanden ist.
  6. Vorrichtung gemäß der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Programmieren des Mikrocomputers und des Datenspeichers, sowie zum Voreinstellen der Uhrzeit der Echtzeituhr sowie zur Wahl der Betriebsmodi eine Datenschnittstelle vorhanden ist, bei welcher die Datenübertragung durch das rhythmische Ein- und Ausschalten des 230 V Wechselspannung Versorgungsnetzes bewirkt wird, wobei die definierte Länge dieser Ein- und Ausschaltzeiten jeweils einem logischen 1 oder 0 Signal zugeordnet ist und die Gesamtzeit des vorzugsweise 4 bis 8 Bit breiten Datenpaketes definiert ist und diese Programmierung, oder Funktionsbeeinflussung durch den Anwender vorzugsweise außerhalb der Zeiten erfolgt in welchen das oder die Halbleiterrelais oder Thyristor oder Transistor eingeschaltet sind.
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