DE10135279B4 - Berührungsloses Prozeßüberwachungssystem induktiver Bauart - Google Patents

Abstract

Sensorelement, das für den Einsatz im Maschinenbau und im Landmaschinenbau die Information des Folienbandzustandes berührungslos überwachen und über zwei Drehachsen übertragen kann, wobei die Informationsübertragung über das Ende der Folienrolle über zwei unabhängig zueinander stehende Wellen in der Art vonstatten geht, daß die Spannungsversorgung zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung des Sekundäroszillators durch die Bewegung zweier Permanentmagneten des Signalgebers induktiv gewonnen wird und die Schwingungsenergie des Sekundär-Oszillators gemäß dem Transformator Prinzip durch den Primär-Oszillator demnach ebenfalls induktiv abgegeben wird.

Description

• Aus der DE-AS 1 513 147 ist ein elektrischer Drehzahl-Impulsgeber bekannt.
• Weiterhin sind im landwirtschaftlichen Maschinenbau mechanische Prozeßüberwachungssysteme bekannt, welche die Information über Füllmengenzustand der Folie einer Folienwickelmaschine für Strohrundballen über einen Schleifer oder Endschalter übertragen und zur Auswerteelektronik übermitteln.
• Das diskutierte Prozessüberwachungssystem unterscheidet sich von bekannten System durch eine doppelt berührungslose verschleißfreie Übertragung, die weniger kostenintensiv und damit kundenfreundlicher herzustellen ist und darüber hinaus eine längere Lebensdauer sowie eine bessere Funktionszuverlässigkeit gegenüber mechanisch arbeitenden Systemen erlaubt.
• Das berührungslose Prozeßüberwachungssystem induktiver Bauart besteht aus vier Komponenten, dem Signalgeber (1; 5) in Form zweier Permanent Magneten auf einer rotierenden Scheibe befindlich, dem Induktiv-Aufnehmer (1; 2), dem Sekundär-Oszillator (1; 3) und einem Primär-Oszillator (1, 4).
• Der Signalgeber beinhaltet zwei Pennanentmagneten (2, 2 und 3), mit gegenphasig orientierter Polarisierungsrichtung in gleichem Abstand zur Drehachse (2, 4) zueinander angeordnet, die sich der dem Induktiv-Aufnehmer zugewandten Seite einer Drehscheibe (2, 5), angebracht sind. Diese auf dem Meßobjekt fixierte Drehscheibe (2, 5) rotiert im störungslosen Betrieb mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit ω um das Drehzentrum (2, 4) und führt dem Induktiv-Aufnehmer (2, 1) ständig magnetische Energie zu. Die Höhe der Energiezuführung wird limitiert durch die Wahl der Induktivität L1 (4) und zum anderen durch die Stärke der Induktion der Magnetfelder der Permanentmagneten auf der Drehscheibe sowie durch die Winkelgeschwindigkeit ω der Drehscheibe.
• Die durch das Induktionsgesetz von Faraday (1, 2) an der Spule L1 induzierte Spannung U₁ (1, 6) dient im Induktiv-Aufnehmer als Ladespannung für die Kondensatoren C₃ und C₂ (4), die über die Dioden D2 und D3 (4) aufgeladen werden. Die induzierte Spannung U₁ nimmt aufgrund der gegenphasig ausgerichteten Permanentmagneten mit resultierend 180° phasenverschobenen Feldlinienverlauf eine charakteristische Form an, in dessen Verlauf die positive Halbwelle dem Ladekondensator C₂ und die negative Halbwelle dem Ladekondensator C₃ zur Speicherung der Energie dient. Zur Begrenzung des Ladestroms dient eine Zenerdiode D₁ (4). Um den Entladestrom der Verbraucher, verursacht durch die Transistoren T₁ und T₂ (4), möglichst klein zu halten dienen die Widerstände R1 und R2 (4) der Strombegrenzung in diesem als doppeltem Einweggleichrichter betriebenen Netzteil. Die Schutzdiode D₁ (4), eine Zenerdiode, erfüllt die Funktion der Spannungsbegrenzung in der Art, daß die induzierte Spannung U₁ den definierten Zenerdiodenwert nicht überschreiten kann und somit der Basis-Emitter Übergang der Transistoren T₁ und T₂ geschützt wird.
• Während der positiven Halbwelle der sinusförmigen Spannung U₁ an der Spule L₁ wird der Ladekondensator auf die Ladespannung U_C2 aufgeladen, die sich aus der Differenz zwischen U₁ und der Durchlaßspannung U_D der Diode D₁ ergibt [U_C2 = U₁ – U_D]. Analog dazu verhält sich der Kondensator während des negativen Verlaufs der Induktionsspannung, hier entsteht die Ladespannung U_C3 [U_C3 = –U₁ – (–U_D)]. Die so gewonnene Ladespannung ist darauf abgestimmt, daß sie den Transistor T₁ öffnet, der Ausgangswiderstand des NPN-Transistors T₁ sinkt. Der Resonanzkreis aus L₂, C₁ und dem Ausgangswiderstand R_T1 des Transistors, abgestimmt auf die Resonanzfrequenz f_R kann aufgrund seines veränderten ohmschen Widerstandes zum Schwingen angeregt werden. Während der negativen Halbwelle der induzierten Spannung U₁ entlädt sich der Kondensator C₂ über den Widerstand R₁ und den Eingangswiderstand der Basis-Emitterstrecke des Transistors T₁, gleichzeitig wird über die Diode D₃ der Ladekondensator auf die Spannung U_C3 geladen. Die induzierte Spannung U₁ klingt ab, der Kondensator C₃ gibt seine Energie über den Widerstand R₂ zur Öffnung der Basis-Emitter Strecke des PNP-Transistor T₂ ab.
• Wechselweise werden während der Drehung der Scheibe auf dem Messobjekt die Ladekondensatoren C₂ und C₃ aufgeladen und entladen sich jeweils über die Basis-Emitterstrecke der Transistoren T₁ und T₂. Die Anlage ist in der Art abgestimmt, daß der Transistor T1 während der negativen Halbwelle und der Transistor T2 während der positiven Halbwelle geöffnet bleibt, um in der Zeit der unterbruchslosen Umdrehung des Messobjektes einen gleichbleibenden Entladestrom zum Schalten der Transistoren T₁ und T₂ sicherzustellen. Die kontinuierliche Rotation des Messobjekts in Verbindung mit den gegenphasig angeordneten Permanentmagneten stellt demnach sicher, das im Resonanzkreis neben den konstanten L₂ und C₁ immer gleiche ohmsche Bedingungen in Form eines konstanten niederohmigen Widerstandes herrschen.
• Der Primär-Oszillator (1, 4), ausgelegt als herkömmlicher induktiver Industrie-Standard Näherungsschalter in der Bauart eines PNP-Schließers, transformiert seine elektromagnetische Energie gemäß der Transformatorengleichung in den

  

  Resonanzkreis des Sekundär-Oszillators. Aufgrund der niederohmigen Last im Sekundär-Oszillator wirkt diese Last für den Primär-Oszillator wie ein Kurzschluß. Der induktive Näherungsschalter meldet dieses Ereignis durch Veränderung des Schaltzustandes und schaltet den Ausgang.
• Solange keine Betriebsstörung des Messobjekts in Form eines Stillstandes der Drehscheibe vorliegt, bleibt dieser Betriebszustand erhalten.
• Eine Betriebsstörung führt schließlich dazu, daß in der Spule L₁ keine Spannung mehr induziert werden kann, da keine Änderung des magnetischen Fluß mehr vorherrscht. Die Ladekondensatoren C₂, C₃ können sich über die Dioden D₂ und D₃ nicht mehr aufladen. Die Transistoren schalten aufgrund der fehlenden Basis-Emitter Spannung nicht mehr durch, sie werden somit hochohmig. Die Resonanzbedingung ändert sich durch diese Widerstandsänderung im Sekundär-Oszillator. Die Belastung für den Primär-Oszillator verringert sich in der Art, daß der induktive Näherungsschalter von dem geschalteten in den nicht geschalten Zustand wechselt. Die Betriebsstörung wird somit berührungslos erfasst und gemeldet.
• Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde:
  Ein Sensorelement zu finden, das für den Einsatz im Maschinenbau und insbesondere im Landmaschinenbau die Information des Folienbandzustandes berührungslos überwachen und über zwei Drehachsen übertragen kann.
• Ein Sensorelement zu schaffen, das innerhalb eines definierten Temperaturbereiches ein stabiles Funktionsverhalten zeigt.
• Ein Sensorelement zu konstruieren, welches stabil und unabhängig von klimatischen Veränderungen arbeitet.
• Ein Sensorelement zu finden, welches eine hohe Langzeitstabilität besitzt.
• Ein Sensorelement zu finden, das die zum industriellen Einsatz notwendigen Signalverstärkungen bietet.
• Ein Sensorelement zu konstruieren, welches alle handelsüblichen Schaltungsvarianten aufweisen kann.
• Ein Sensorelement zu finden, das die im industriellen Einsatz erforderlichen elektromagnetische Verträglichkeit und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störgrößen aufweist sowie keine genannten aussendet.
• Ein Sensorelement zu finden, das den Schaltzustand durch ein optisches Signal durch eine Leuchtdiode anzeigt.
• Ein Sensorelement zu finden, dessen bewegte Teile trotz berührungslosem Verfahren über eine autarke Spannungsversorgung verfügen.
• Ein Sensorelement zu finden, dessen Platzbedarf durch die Verwendung von SMD Komponenten in Dickschichttechnologie oder herkömmlicher Leiterplattentechnologie veringert wird.
• Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Informationsübertragung über das Ende der Folienrolle über zwei unabhängig zueinander stehende Wellen in der Art vonstatten geht, daß die Spannungsversorgung zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung des Sekundäroszillators durch die Bewegung zweier Permanentmagneten des Signalgebers induktiv gewonnen wird und weiter die Schwingungsenergie des Sekundär-Oszillators gemäß dem Transformator Prinzip durch den Primär-Oszillator demnach ebenfalls induktiv abgegeben wird. Das Ende der Folienrolle bewirkt den Stillstand des Signalgebers, die Resonanzbedingung für den Sekundär-Oszillator versiegt, der induktive Näherungsschalter erkennt den Vorgang, die Last im Sekundärkreis verringert sich, so daß der Schalter öffnet und den Unterbruch anzeigt.
• Die Einsatzgebiete des berührungslosen Prozeßüberwachungssystems induktiver Bauart liegen überall dort, wo es um die verschleißfreie Erfassung von Drehbewegungen geht. Typischerweise fallen in diesen Bereich der Maschinenbau, insbesondere Automation, z.B. Objekte, Materialflußteile, Werkzeuge mit einer Drehbewegung. Besonders vorteilhaft können derart aufgebaute Systeme zur Übertragung der Signale in steigendem Maße eingesetztem Schwenkarm Roboter, Schweißzangen an Schweißanlagen eingesetzt werden, wo die Forderung einer sicheren Funktion durch extreme Einsatzbedingungen (Schmiermittel, Schneidöle und Kühlflüssigkeiten, hohe Druck und Temperaturschwankungen, Vibration) eine Signalübergabe durch Schleifkontakte oder feste Verdrahtung ausschließt.
• Die im landwirtschaftlichen Maschinenbau bekannte mechanische Prozeßüberwachungssysteme, welche die Information über Füllmengenzustand der Folie einer Folienwickelmaschine für Strohrundballen über einen Schleifer oder Endschalter übertragen und zur Auswerteelektronik übermitteln, können mit dem diskutierten Prozessüberwachungssystem mit einer doppelt berührungslosen verschleißfreien Übertragung ersetzt werden Es ist das weniger kostenintensiv und damit kundenfreundlicher herzustellen und darüber hinaus erlaubt eine längere Lebensdauer sowie eine bessere Funktionszuverlässigkeit gegenüber mechanisch arbeitenden Systemen.

Claims (5)

1. Sensorelement, das für den Einsatz im Maschinenbau und im Landmaschinenbau die Information des Folienbandzustandes berührungslos überwachen und über zwei Drehachsen übertragen kann, wobei die Informationsübertragung über das Ende der Folienrolle über zwei unabhängig zueinander stehende Wellen in der Art vonstatten geht, daß die Spannungsversorgung zur Aufrechterhaltung der Resonanzbedingung des Sekundäroszillators durch die Bewegung zweier Permanentmagneten des Signalgebers induktiv gewonnen wird und die Schwingungsenergie des Sekundär-Oszillators gemäß dem Transformator Prinzip durch den Primär-Oszillator demnach ebenfalls induktiv abgegeben wird.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende der Folienrolle den Stillstand des Signalgebers bewirkt, wobei die Resonanzbedingung für den Sekundär-Oszillator versiegt, der induktive Näherungsschalter den Vorgang erkennt, die Last im Sekundärkreis sich verringert, so dass der Schalter öffnet und den Unterbruch anzeigt.
3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das den Schaltzustand durch ein optisches Signal durch eine Leuchtdiode anzeigt.
4. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen bewegte Teile trotz berührungslosem Verfahren über eine autarke Spannungsversorgung verfügen.
5. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Platzbedarf durch die Verwendung von SMD Komponenten in Dickschichttechnologie oder herkömmlicher Leiterplattentechnologie veringert wird.