Verfahren und Vorrichtung zur lichtelektrischen Überwachung dynamischer Vorgänge, insbesondere zur Überwachung mindestens eines Fadens in einer Textilmaschine
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lichtelektrischen Überwachung dynamischer Vorgänge, insbesondere zur überwachung mindestens eines Fadens in einer Textilmaschine, mit einem Siliziumfotoelement, das bezüglich des Gleichlichteinflusses annähernd im Kurzschluss betrieben wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Siliziumfotoelement, dem ein ohm'scher Widerstand solcher Grösse parallelgeschaltet ist, dass das Fotoelement in bezug auf den Gleichstromanteil annähernd kurzgeschlossen ist.
Es ist bekannt, dass bei Fotoelementen, beispielsweise aus Silizium, der Kurzschlussstrom linear mit der Beleuchtung zunimmt, die Leerlaufspannung jedoch mit der Beleuchtung logaritlimisch ansteigt. Dieser für die Praxis bedeutungsvolle logarithmische Spannungsanstieg geht jedoch bei einer bestimmten Beleuchtungsstärke in einen Sättigungsbereich über, wodurch der logarithmische Anstieg verfälscht wird. Für die Praxis bedeutet dies, dass der Sättigungsbereich für Messzwecke nicht mehr verwendbar ist. Wird ein solches Fotoelement ausser von dem Messlicht zusätzlich von Fremdlicht beaufschlagt, beispielsweise durch direkte oder indirekte Sonneneinstrahlung, so kann die Beleuchtungsstärke leicht eine solche Grösse erreichen, dass der Sättigungsbereich erreicht wird und damit eine einwandfreie Überwachung nicht mehr möglich ist.
Bei der lichtelektrischen Überwachung dynamischer Vorgänge, insbesondere bei der Überwachung eines oder mehrerer Fäden in Textilmaschinen, z.B. bei Fadenbewegungswächtern, elektronischen Fadenreinigern oder Knotenprüfern, handelt es sich um sogenannte Wechsellichtschranken, da die dynamischen Vorgänge einen ständigen Wechsel des das Fotoelement beaufschlagenden Lichtstromes hervorrufen. Andererseits kann das störende Fremdlicht, beispielsweise das Sonnenlicht, im wesentlichen als Gleichlicht angesprochen werden, da es nur über grosse Zeitabstände langsamen Schwankungen unterliegt.
Um den störenden Gleichlichteinfluss von dem zu nutzenden Wechsellichteinfluss zu trennen, ist es bekannt, an das Fotoelement einen induktiv-kapazitiven Parallel-Resonanz-Schwingkreis, einen sogenannten LC-Schwingkreis, anzuschliessen und diesen Schwingkreis so abzustimmen, dass er mit der Frequenz des Nutzwechsellichtes in Resonanz ist. Infolgedessen wird der durch störendes Gleichlicht entstehende Gleichspannungsanteil des Fotoelementes von dem niedrigen ohm'schen Widerstand der Induktivität kurzgeschlossen, so dass das Fotoelement bezüglich des Gleichlichteinflusses annähernd im Kurzschluss betrieben wird.
Der Wechselspannungsanteil des Fotoelementes wird aber mit dem Resonanzwiderstand des LC-Schwingkreises belastet, dessen Kreisgüte Q so bemessen werden kann, dass der Resonanzwiderstand sehr hoch wird und damit nur noch eine sehr schwache Belastung für das Fotoelement darstellt. Da somit das Fotoelement nur noch bezüglich seines Wechselspannungsanteiles annähernd im Leerlauf betrieben wird, ist die übersteuernde Wirkung des störenden Gleichlichtes unschädlich gemacht. Eine derartige Lösung des vorliegenden Problems hat jedoch zwei erhebliche Nachteile:
1. Bei dynamischen Vorgängen mit niedrigen Frequenzen werden relativ grosse Induktivitäten benötigt, die abgestimmt werden müssen und teuer sind. Ausserdem ist es vielfach schwierig, den erforderlichen Raumbedarf bereitzustellen.
2. Werden beispielsweise durch die zu überwachende Maschine oder durch benachbarte Maschinen magnetische Wechselfelder erzeugt, so rufen diese in der Induktivität Störspannungen hervor, die in der Grössenordnung der Nutzwechselspannung liegen können. Um derartige magnetische Störeinflüsse zu vermeiden, ist eine magnetische Abschirmung erforderlich, die einen erheblichen mechanischen und kostenmässigen Aufwand erfordert.
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lichtelektrischen Überwachung dynamischer Vorgänge, insbesondere zur Überwachung mindestens eines Fadens in einer Textilmaschine anzugeben, mit denen Fremdlichteinflüsse ausgeschaltet und gleichzeitig die vorerwähnten Nachteile der Verwendung von LC-Schwingkreisen vermieden werden.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäss: a) das eingangs genannte erfindungsgemässe Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die durch Wechsellichteinflüsse hervorgerufene Wechselspannung des Fotoelementes durch eine ihr proportionale und phasengleiche Zusatzspannung derart entlastet wird, dass das Fotoelement bezüglich der Wechselspannung annähernd im Leerlauf betrieben wird; sowie b) die eingangs genannte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Einrichtung zur Erzeu.
gung einer durch Wechsellichteinflüsse hervorgerufenen Wechselspannung proportionalen und phasengleichen Zusatzspannung aufweist, derart, dass das Fotoelement bezüglich der Wechselspannung annähernd im Leerlauf arbeitet.
Während also bei der bekannten Verwendung eines LC-Schwingkreises die Wechselspannung des Fotoelementes an einen im Nutzfrequenzbereich sehr hohen Wechselstromresonanzwiderstand angeschlossen und dadurch das Fotoelement von der Nutzwechselspannung nur schwach belastet wurde, erfolgt gemäss dem Verfah- ren vorliegender Erfindung eine Entlastung des Fotoelementes im Bereich der Nutzwechselspannung dadurch, dass der Nutzwechselspannung eine proportionale und phasengleiche Zusatzspannung hinzugefügt wird, welche derart bemessen ist, dass das Fotoelement bezüglich der Wechselspannung annähernd im Leerlauf betrieben wird.
Zur Durchführung des Verfahrens vorliegender Erfindung eignet sich beispielsweise eine Vorrichtung mit einem LC-Schwingkreis, bei dem, im Gegensatz zu der bekannten Anordnung mit einem LC-Schwingkreis, der ohm'sche Widerstand Teil eines Bandpasses ist, der aus einem unterhalb der Schwinggrenze betriebenen RC Generator besteht, der in an sich bekannter Weise lediglich ohm'sche und kapazitive Widerstände enthält.
Die Durchlassfrequenz des Bandpasses entspricht vorzugsweise annähernd der zu überwachenden Nutzfrequenz.
Besondere Vorteile können sich noch dann ergeben, wenn der RC-Generator aus einem dreistufigen RC Glied besteht und das Fotoelement parallel zu dem in der Mitte des dreistufigen RC-Gliedes liegenden ohm'schen Widerstand geschaltet ist.
Bei der vorbeschriebenen Anordnung ist jedoch die Bandbreite der durch die Wechsellichteinflüsse hervorgerufenen und zu verstärkenden Wechselspannung nur schmal. Zur Messung dynamischer Vorgänge, wie sie die Übenvadchung mindestens eines Fadens in Textilmaschinen, und zwar ganz besonders die Überwachung der ordnungsgemässen Verknotung zweier Fäden darstellt, kann es jedoch erwünscht sein, das weite Frequenzspektrum der aus den dynamischen Vorgängen resultierenden Wechselspannungen beizubehalten, gleichzeitig aber für den Gleichspannungsanteil des Fotoelementes eine relativ hohe Belastung herbeizuführen, um die Übersteuerung durch Fremdlicht zu vermeiden.
Dies kann gemäss einer anderen Ausfühmngsform einer Vorrichtung dadurch erreicht werden, dass der dem Fotoelement parallelgeschaltete ohm'sche Widerstand Teil eines breitbandigen Wechselspannungsverstärkers ist, dessen Mitkopplung stets kleiner als die den Verstärkungsfaktor bestimmende Gegenkopplung ist. Dabei kann der breitbandige Wechselspannungsverstärker aus einem mittels eines Kondensators und eines Ableitwiderstandes an den Belastungswiderstand angeschlossenen Verstärkungselement bestehen.
Das Verstärkungselement kann beispielsweise aus einem oder mehreren Transistoren bestehen.
Eine besonders vorteilhafte und einfache Ausführungsform ergibt sich, wenn das Verstärkungselement aus einem an sich für Rechenoperationen bekannten Operationsverstärker besteht, dessen den ohm'schen Widerstand entdämpfende Mitkopplung stets kleiner als seine den Verstärkungsfaktor bestimmende Gegenkopplung ist.
Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Schaltungen näher erläutert.
Man erkennt in dem Schaltungsschema nach Fig. 1 zwei in Reihe geschaltete Siliziumfotoelemente 1 und 2, denen ein ohm'scher Wiederstand 3 solcher Grösse parallelgeschaltet ist dass die Fotoelemente 1 und 2 in bezug auf den Gleichstromanteil annähernd kurzgeschlossen sind. Dieser ohm'sche Widerstand ist Teil eines Bandpasses, der aus einem unterhalb der Schwinggrenze betriebenen RC-Generator mit den weiteren ohm'schen Widerständen 4 und 5 und den kapazitiven Widerständen 6, 7 und 8 sowie dem Transistor 9 besteht. Die kapazitiven und die ohm'schen Widerstände sind derart aneinander angepasst, dass die Eigenfrequenz des RC-Generators annähernd derjenigen Frequenz entspricht, die als Nutzfrequenz ausgesiebt werden soll.
Wenn mittels des Gegenkoppelwiderstandes 11 die Verstärkung des Transistors 9 kleiner als 29 gehalten wird, dann erhält man in bekannter Weise anstelle eines Generators einen Bandpass mit verstellbarer Kreisgüte, die zwischen 1 und 28 verstellt werden kann. Dadurch wird auch automatisch die gewünschte Bandbreite des Bandpasses bestimmt.
Der Widerstand 10 bildet in Verbindung mit dem Widerstand 5 einen Spannungsteiler, der in bekannter Weise zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors 9 dient. Der Widerstand 12 ist der Arbeitswiderstand des Verstärkers innerhalb des Bandpasses, und der Konden- sator 15 dient zur Ankopplung an die nächste Verstärkerstufe.
Sobald die Anordnung an den Punkten 13 und 14 mit Gleichspannung gespeist wird, werden alle im Durchlassbereich des Bandpasses liegenden Wechselspannungsanteile der Fotoelemente 1 und 2 durch die proportionalen und phasengleichen Zusatzspannungsanteile des Bandpasses um den am Widerstand 11 eingestellten Verstärkungsgrad entlastet. Während somit die Fotoelemente 1, 2 für Wechselspannungen praktisch im Leerlauf betrieben werden, sind die Fremdlichteinflüsse durch den Widerstand 3 kurzgeschlossen und können sich im Messergebnis nicht auswirken.
Neben reinen Gleichlichtstöreinflüssen können aber auch Wechsellichtstöreinflüsse auftreten. Da das Fre quenzspektrum - dieser Wechsellichtstöreinflüsse aber erheblich von demjenigen der Nutzlichteinflüsse abweicht, kann der Bandpass mittels des Widerstandes 11 leicht so eingestellt werden, dass der Abstand zwischen der Nutzund der Störspannung genügend gross gehalten werden kann. Dieser Vorteil macht sich besonders bei der Überwachung von extrem feinen Fäden bemerkbar, da bei diesen feinen Fäden das Nutzsignal trotz Doppelfotoelement sehr klein ist.
Grundsätzlich ist es möglich, anstelle des dargestellten dreistufigen RC-Gliedes auch ein solches mit einer anderen Stufenzahl zu verwenden. Ebenso ist es möglich, das Fotoelement nicht zu dem Widerstand 3, sondern zu dem Widerstand 4 oder 5 parallelzuschalten. Wird jedoch, entsprechend dem dargestellten Ausführungsbei spiel, das Fotoelement parallel zu dem in der Mitte eines dreistufigen RC-Gliedes liegenden ohm'schen Widerstand 3 geschaltet, so ergibt sich für zahlreiche Anwendungsfälle noch ein zusätzlicher Vorteil. Bei der Überwachung von Fäden entsteht bekanntlich beim Einlegen des Fadens in die Messlichtschranke ein Spannungs sprung, der das während des Fadenlaufes entstehende Signal bis zum Sfachen Wert übersteigen kann.
Ausserdem kann der ruhende, aber von Luftströmen, beispielsweise eines Wanderbläsers, angestossene Faden in Schwingungen geraten, die zwar ausserhalb der Frequenzen des Bandpasses liegen, aber durch die hohe Amplitude unter Umständen schädlich wirken. Durch die symmetrische Einspeisung am Widerstand 3 werden diese Störeinflüsse differenziert und weitgehend abgedämpft.
In Fig. 2 bilden die Fotoelemente 21 und 22 zusammen mit einer nicht dargestellten Optik und einer Gallium-Arsenid-Diode als Infrarotquelle die Messlichtschranke. Dabei ist die lichtempfindliche Nutzfläche auf zwei Fotoelemente verteilt, um die innere Sperrschichtkapazität herabzusetzen. Man erkennt dies deutlich durch die als Ersatzschaltbild gestrichelt angedeuteten Sperrschichtkapazitäten 23 und 24, die jeweils für die beiden Fotoelemente nur halb so gross sind, als würde lediglich ein Fotoelement doppelter Nutzfläche verwendet, und deren Reihenschaltung zwangsläufig eine Verminderung der gesamten Sperrschichtkapazität auf 25% ergibt.
Diese Verminderung der Sperrschichtkapazität ist besonders bedeutungsvoll wegen der Herabsetzung des Siebfaktors für hohe Frequenzen, weil die Gallium-Arsenid-Diode mit pulsierendem Gleichstrom einer Impulsfolgefrequenz von beispielsweise 10 kHz gespeist wird und demzufolge auch die Wechsellichtbestrahlung der Fotoelemente in dieser Grössenordnung liegt, wobei die Amplitude dieses Wechsellichtes von der Abschattung durch den oder die Fäden moduliert ist.
Parallel zu den Fotoelementen 21 und 22 ist der niederohmige Belastungswiderstand 25 geschaltet, dessen Grösse so bemessen ist, dass die Fotoelemente bezüglich des Gleichlichteinflusses annähernd im Kurzschluss betrieben werden. Ein Kondensator 27 trennt die verbliebene Restgleichspannung ab und ist so bemessen, dass er zusammen mit dem Ableitwiderstand 28 eine sehr kleine Zeitkonstante aufweist, damit Frequenzen im Bereich der Netzfrequenz nicht übertragen werden.
Der als Bauelement handelsübliche, an sich für Rechenoperationen bekannte Operationsverstärker 34 hat die Aufgabe, die von den Fotoelementen 21 und 22 erzeugten Wechselspannungen von ca. 10 kHz möglichst hoch zu verstärken, während die von relativ langsamen Änderungen der Fremdlichteinflüsse herrührenden Spannungsimpulse der Fotoelemente 21 und 22 nicht verstärkt werden sollen. Die Wechselspannungsverstärkung wird in bekannter Weise durch die Gegenkopplungswiderstände 30 und 29 sowie den Kondensator 31 bestimmt. Bei Wahl einer möglichst kleinen Zeitkonstanten für die Widerstände 28 und 29 und die Kondensatoren 27 und 31 werden die Gleichspannungskomponenten und tiefe Frequenzen unterdrückt, so dass die Spannungsteilung im Gegenkopplungskanal so günstig wird, dass keine Verstärkung in dem vorstehenden Übertragungsbereich entsteht.
Die erwünschte Entdämpfung des Belastungswiderstandes 25, d.h. also die scheinbare Erhöhung des Belastungswiderstandes, um eine angenäherte Leerlaufcharakteristik für Wechselspannungen ab einer unteren Grenzfrequenz, z.B. 150Hz, zu erzielen, wird mit einer Mitkopplung erreicht, welche vorteilhafterweise stets einige Prozent kleiner sein sollte als die vorbeschriebene Gegenkopplung, um Selbsterregung zu vermeiden. Der Belastungswiderstand 25 stellt zusammen mit dem Widerstand 26 den Ausgangslastwiderstand des Operationsverstärkers 34 dar. Das Teilerverhältnis dieser beiden Widerstände bestimmt die Höhe der Mitkopplung.
Da der Operationsverstärker 34, wie bereits erwähnt, eine hohe Wechselspannungsverstärkung für höhere Frequenzen, aber keine Verstärkung für Gleich- und niedrige Wechselspannungen aufweist, wird der Widerstand 25, wie gewünscht, für Wechselspannungen im Nutzfrequenzbereich stark entdämpft. Es ergibt sich infolgedessen für den Nutzfrequenzbereich der Wechselspannungen eine scheinbare Erhöhung des Belastungswiderstandes, während für Gleichspannung der niedrigere Widerstandswert des Belastungswiderstandes 25 erhalten bleibt.
Die Kondensatoren 35 und 36 sowie der Widerstand 37 sind für die übliche Frequenzkompensation des Operationsverstärkers vorgesehen und vielfach bereits im Operationsverstärker mit eingebaut. Der Widerstand 38 stellt den üblichen Entkopplungswiderstand bei kapaziti- ver Belastung durch den Kondensator 39 dar. Die Speisung des Operationsverstärkers erfolgt über die Klemmen 40, 41 von einer Konstantstromquelle aus. An den Trennstellen 43a und 43b wird das Ausgangswechselspannungssignal abgenommen, welches praktisch frei von jeder Gleichspannungskomponente ist. Dieses Ausgangssignal kann - ggf. über weitere Verstärker - einem Demodulator zugeführt werden, welcher die von der Abschattung des Fadens herrührenden Amplitudenschwankungen von der Grundfrequenz trennt.
Das in der Figur dargestellte Schaltungsbeispiel ist auf mannigfache Weise variierbar. Wesentlich ist jedoch dass der den Fotoelementen 1 und 2 parallelgeschaltete ohm'sche Belastungswiderstand 5 Teil eines breitbandigen Wechselspannungsverstärkers ist, der eine verstärkungsbestimmende Gegenkopplung hat und eine den ohm'schen Widerstand entdämpfende Mitkopplung enthält, die, wie schon geschildert, immer kleiner sein soll als die Gegenkopplung. Auf diese Weise wird erreicht dass der Widerstand 5 eine hohe Belastung für Gleichspannungen, aber nur eine sehr niedrige Belastung für Wechselspannungen darstellt, ohne dass die Nachteile von Induktivitäten, Siebketten, Resonanzkreisen oder dergleichen in Kauf genommen werden müssen.
So kann beispielsweise anstelle des Operationsverstärkers 14 ein beliebiges anderes Verstärkungselement, beispielsweise ein einfacher Transistor treten, dessen Ausgangswechselspannung sodann über weitere Verstärkerstufen geführt wird. Die Verwendung des Operationsverstärkers 14 als Verstärkungselement hat jedoch den Vorteil, dass er neben der hohen Stabilität gleichzeitig mehrere Folgeverstärker erübrigt. Trotzdem kann es unter Umständen vorteilhaft sein, das an den Trennstellen 43a und 43b abgenommene Ausgangswechselspannungssignal über weitere Verstärkerstufen zu führen.