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Die
Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Detektion
von Gegenständen,
die auf einem Transportmittel entlang einer Transportrichtung transportiert
werden, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Ein derartiger Sensor besitzt einen Sender zum
Aussenden von Sendelicht in Richtung eines Überwachungsbereichs und einen Empfänger zum
Erzeugen von Empfangssignalen in Abhängigkeit von aus dem Überwachungsbereich empfangenem
Licht. Außerdem
ist eine mit dem Empfänger
verbundene Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Empfangssignale
vorgesehen, wobei durch die Auswerteeinrichtung ein Gegenstandsfeststellungssignal
erzeugbar ist, falls sich innerhalb des Überwachungsbereichs ein von
dem Transportmittel transportierter Gegenstand befindet.
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Beispielsweise
sind Reflexionslichtschranken bekannt, bei denen das Sendelicht
schräg
oder senkrecht zur Transportrichtung zu einem Reflektor ausgesendet
und von diesem zurück
zu dem Empfänger
reflektiert wird. Eine Unterbrechung des Strahlengangs kann anhand
der damit verbundenen Beeinflussung der Empfangssignale erkannt
werden, um ein Gegenstandsfeststellungssignal zu erzeugen.
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Aus
der
DE 101 42 161
A1 ist ein Sensor mit einem Empfänger bekannt, der zwei Empfangselemente
aufweist, die parallel zu der Transportrichtung der zu detektierenden
Gegenstände
angeordnet sind, wobei eine Vergleichseinrichtung eine Differenz der
Empfangssignale der beiden Empfangselemente mit einem Schwellwert
vergleicht. Dieser Sensor ver mag zu erkennen, aus welcher Richtung
ein Gegenstand den Sendelichtstrahl durchfährt, indem das Differenzsignal
mit zwei unterschiedlichen Schwellwerten verglichen wird. Um jedoch
unterscheiden zu können,
ob ein Gegenstand in den Überwachungsbereich
einfährt
oder diesen verlässt,
muss die Bewegungsrichtung bekannt sein. Ferner können nicht ohne
weiteres Gegenstände
unterschiedlicher Höhe detektiert
werden, da eine feste Schwelle vorgegeben werden muss.
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Aus
der
US 5,197,012 ist
ein optoelektronischer Sensor mit einem Empfänger bekannt, der zwei Empfangselemente
aufweist, die bezüglich
der Transportrichtung eines Förderbands
eng benachbart nebeneinander angeordnet sind. Der Sensor tastet
das Höhenprofil
von Gegenständen,
beispielsweise von Zeitungen, ab, die mit dem Förderband transportiert werden.
Hierbei wird die Ableitung des Höhenprofils
gebildet und mit einem vorbestimmten Wert verglichen. Ein derartiger
Sensor vermag lediglich vergleichsweise abrupte Änderungen des Höhenprofils
der transportierten Gegenstände
zu erkennen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Sensor der eingangs genannten
Art zu schaffen, der eine verbesserte Detektionssicherheit besitzt
und universeller einsetzbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst,
und insbesondere dadurch, dass der Empfänger drei Empfangselemente
aufweist, die entlang der Transportrichtung nebeneinander angeordnet
sind, wobei die beiden äußeren der
drei Empfangselemente zu einem ersten Empfangskanal zusammenge schaltet
sind und das mittlere Empfangselement einen zweiten Empfangskanal
bildet.
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Die
Empfangssignale der beiden äußeren Empfangselemente
werden also aufsummiert, um ein gemeinsames Empfangssignal des ersten
Empfangskanals zu bilden. Das dazwischen angeordnete Empfangselement
bildet einen eigenen, zweiten Empfangskanal, der separat ausgelesen
werden kann. Indem die drei Empfangselemente bezüglich der Transportrichtung
nebeneinander angeordnet sind, beeinflusst ein durch den Überwachungsbereich
transportierter Gegenstand – unabhängig von seiner
Bewegungsrichtung – generell
stets zunächst das
Empfangssignal eines äußeren Empfangselements
und somit des ersten Empfangskanals. Erst mit andauernder Transportbewegung
wird auch das Empfangssignal des mittleren Empfangselements und
somit des zweiten Empfangskanals beeinflusst. Dasselbe gilt für das Ausfahren
des betreffenden Gegenstands aus dem Überwachungsbereich, also wenn
die Rückseite
des transportierten Gegenstands den Empfänger passiert.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors besteht
darin, dass aufgrund der alternierenden Zuordnung der Empfangselemente
zu dem ersten und dem zweiten Empfangskanal zwischen einem Einfahren
eines Gegenstands in den Überwachungsbereich
und einem Ausfahren eines Gegenstands aus dem Überwachungsbereich unterschieden
werden kann, und zwar unabhängig
davon, ob der Gegenstand entlang einer vorbestimmten Transportrichtung oder
ausnahmsweise entgegen dieser Transportrichtung durch den Überwachungsbereich
bewegt wird. Diese Fähigkeit
ist beispielsweise in Sortier- und Beschickungsanlagen von Versandhäusern von
Bedeutung, in denen mittels verschiedener miteinander verbundener Förderbänder unterschiedliche
Versandartikel zu einer Versandeinheit zusammengeführt werden
sollen. Im Fehlerfall kann es hier erforderlich sein, die Transportmittel
ausnahmsweise kurzzeitig entgegen der üblichen Transportrichtung zu
bewegen, so dass auch die hierauf gelagerten Gegenstände entgegen
der üblichen
Transportrichtung durch den Überwachungsbereich
des zugeordneten Sensors bewegt werden. Dies muss der Sensor erkennen
können.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine hohe Detektionssicherheit
unabhängig von
der Höhe
des Tastguts gewährleistet
ist. Die zu detektierenden Gegenstände können also eine variable Höhe besitzen.
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Vorzugsweise
ist der Sensor dergestalt konfiguriert, dass die Signalamplituden
der beiden äußeren Empfangselemente
bei freiem Überwachungsbereich
gleich groß sind,
so dass das gemeinsame Empfangssignal des ersten Empfangskanals
von beiden zugeordneten Empfangselementen gleichermaßen und
in symmetrischer Verteilung erzeugt wird. Der Empfänger verhält sich
somit generell invariant gegenüber
einer Änderung
der Transportrichtung. Vorzugsweise wird diese Eigenschaft dadurch
erreicht, dass die lichtempfindlichen Flächen der beiden äußeren Empfangselemente
gleich groß sind, die
Empfangssignale dieser beiden Empfangselemente mit demselben Verstärkungsfaktor
verstärkt werden
und der Empfänger
homogen ausgeleuchtet wird.
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Zur
Auswertung der Empfangssignale und zur entsprechenden Erzeugung
von Gegenstandsfeststellungssignalen sind unterschiedliche Verschaltungen
der Empfangselemente mit der Auswerteeinrichtung möglich, wie
nachfolgend erläutert
wird.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
weist die Auswerteeinrichtung einen Differenzverstärker auf,
durch den aus dem Empfangssignal des ersten Empfangskanals und dem
Empfangssignal des zweiten Empfangskanals ein Differenzsignal erzeugbar ist,
wobei die Auswerteeinrichtung ferner einen Schwellwertdurchgangsdetektor
mit Vorzeichendetektor aufweist, durch den ein Schwellwertdurchgang des
Differenzsignals und das Vorzeichen der Signalsteigung des Differenzsignals
im Schwellwertdurchgang detektierbar sind. Durch Detektion eines Schwellwertdurchgangs
können
Gegenstände
unterschiedlicher Höhe
erfasst werden, wobei die alternierende Zuordnung der drei Empfangselemente
zu zwei verschiedenen Empfangskanälen auch bei Gegenständen von
vergleichsweise geringer Höhe
einen ausreichend hohen Signalhub bewirkt.
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Anhand
des Vorzeichens der detektierten Signalsteigung kann unabhängig von
der tatsächlichen Bewegungsrichtung
des betreffenden Gegenstands zwischen einem Einfahren in den Überwachungsbereich
und einem Ausfahren aus dem Überwachungsbereich
unterschieden werden.
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Für diese
erste Ausführungsform
ist es bevorzugt, wenn der Sensor dergestalt konfiguriert ist, dass
bei freiem Überwachungsbereich
die Signalamplitude des ersten Empfangskanals gleich der Signalamplitude
des zweiten Empfangskanals ist. Mit anderen Worten soll bei freiem
Strahlengang das Differenzsignal in etwa den Wert Null besitzen.
In diesem Fall ist ein besonders einfacher Aufbau der Auswerteeinrichtung
möglich,
da für
die erläuterte
Detektion des Schwellwertdurchgangs ein an sich bekannter Nulldurchgangsdetektor
mit Vorzeichendetektor verwendet werden kann.
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Um
für beide
Empfangskanäle
die gleichen Signalamplituden bei freiem Überwachungsbereich zu erreichen,
ist es bevorzugt, wenn die jeweiligen lichtempfindlichen Flächen der
beiden Empfangskanäle
gleich groß gewählt sind,
die Empfangssignale beider Kanäle
gleich stark verstärkt
werden und der Empfänger
vom Sender homogen ausgeleuchtet wird.
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Falls
dagegen der Sensor derart konfiguriert ist, dass bei freiem Überwachungsbereich
die Signalamplituden der beiden Empfangskanäle unterschiedlich eingestellt
sind, so kann als Schwellwert für
den Schwellwertdurchgangsdetektor beispielsweise der Wert des Differenzsignals
bei freiem Strahlengang gewählt
werden.
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In
jedem Fall kann der Schwellwertdurchgangsdetektor oder Nulldurchgangsdetektor
der ersten Ausführungsform
eine Schalthysterese berücksichtigen,
um unerwünschte Übergänge zwischen den
Schaltzuständen
zu unterdrücken.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
besitzt die Auswerteeinrichtung einen Differenzverstärker, durch
den aus dem Empfangssignal des ersten Empfangskanals und dem Empfangssignal
des zweiten Empfangskanals ein Differenzsignal erzeugbar ist, und
die Auswerteeinrichtung besitzt ferner einen Komparator, durch den
das Differenzsignal mit wenigstens einer Schaltschwelle vergleichbar
ist. Diese zweite Ausführungsform
hat den Vorteil, dass lediglich ein einfacher Schwellwertvergleich
erforderlich ist. Dennoch können
Gegenstände
unterschiedlicher Höhe
zuverlässig
detektiert werden, da auch bei Gegenständen geringer Höhe die alternierende
Zuordnung der Empfangselemente zu zwei verschiedenen Empfangskanälen einen
ausreichenden Signalhub gewährleistet.
Ferner ist auch bei dieser Ausführungsform
unabhängig
von der tatsächlichen
Transportrichtung des betreffenden Gegenstands eine Unterscheidung
zwischen einem Eindringen in den Überwachungsbereich und einem
Verlassen des Überwachungsbereichs
möglich.
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Für diese
zweite Ausführungsform
ist es bevorzugt, wenn der Sensor dergestalt konfiguriert ist, dass
bei freiem Überwachungsbereich
die Signalamplitude des ersten Empfangskanals dem Produkt aus der
Signalamplitude des zweiten Empfangskanals und einem Verhältnisfaktor
entspricht, der einen Wert kleiner eins besitzt. Mit anderen Worten
soll der dem mittleren Empfangselement entsprechende zweite Empfangskanal
stärker
gewichtet sein als der erste Empfangskanal. Dadurch ist für das Differenzsignal
ein besonders einfacher Schwellwertvergleich möglich, da das Differenzsignal
bei vorhandenem und nicht vorhandenem Gegenstand im Überwachungsbereich
unterschiedliche Werte annimmt, so dass ein dazwischen liegender
Schwellwert gewählt werden
kann. Außerdem
wird hierdurch eine Nebenbedingung geschaffen, die es auch unmittelbar
nach dem Einschalten des Sensors eine Unterscheidung ermöglicht,
ob ein Überschreiten
oder Unterschreiten des Schwellwerts einem Einfahren oder einem
Ausfahren eines Gegenstands entspricht.
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Die
unterschiedlichen Signalamplituden der beiden Empfangskanäle bei freiem Überwachungsbereich
können
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die jeweiligen lichtempfindlichen
Flächen der
beiden Empfangskanäle
unterschiedlich groß gewählt werden,
dass die Empfangssignale beider Kanäle unterschiedlich verstärkt werden,
und/oder dass der Empfänger
vom Sender inhomogen ausgeleuchtet wird.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
besitzt die Auswerteeinrichtung einen Komparator, durch den das
Empfangssignal des ersten Empfangskanals mit dem Empfangssignal
des zweiten Empfangskanals vergleichbar ist und der eine Schalthysterese
berücksichtigt,
wobei durch die Auswerteeinrichtung ein Gegenstandsfeststellungssignal erzeugbar
ist, falls das Empfangssignal des zweiten Empfangskanals geringer
ist als das Empfangssignal des ersten Empfangskanals, oder umgekehrt.
Auch bei dieser Ausführungsform
ist also ein besonders einfacher Signalvergleich mittels eines Komparators möglich, wobei
durch die alternierende Zuordnung der drei Empfangselemente zu den
zwei verschiedenen Empfangskanälen
gewährleistet
ist, dass unabhängig
von der Höhe
des jeweiligen Tastguts stets eine geeignete Schaltschwelle für den Komparator eingestellt
ist. Die Schalthysterese vermeidet dabei ein unerwünschtes
Umschalten.
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Auch
für diese
Ausführungsform
ist es bevorzugt, wenn der Sensor dergestalt konfiguriert ist, dass
bei freiem Überwachungsbereich
die Signalamplitude des ersten Empfangskanals dem Produkt aus der
Signalamplitude des zweiten Empfangskanals und einem Verhältnisfaktor
entspricht, der einen Wert kleiner eins besitzt. Hierdurch werden
die beiden Empfangskanäle
bewusst relativ zueinander verstimmt, so dass auch nach Einschalten
des Sensors eine Nebenbedingung für eine eindeutige Bestimmung
des Schaltzustandes gegeben ist.
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Gemäß einer
vierten Ausführungsform
kann eine ideale Detektionsschwelle geschätzt bzw. festgelegt werden.
Zu diesem Zweck besitzt die Auswerteeinrichtung eine Schwellwertbestimmungseinrichtung,
durch die aufgrund der Empfangssignale des Empfängers ein Schwellwert festlegbar
ist, und die Auswerteeinrichtung besitzt beispielsweise einen Komparator, durch
den das Empfangssignal des zweiten Empfangskanals mit dem festgelegten Schwellwert
vergleichbar ist, wobei durch die Auswerteeinrichtung dann ein Gegenstandsfeststellungssignal
erzeugt wird, wenn das Empfangssignal des zweiten Empfangskanals
geringer ist als der festgelegte Schwellwert, oder umgekehrt.
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Bei
dieser Ausführungsform
werden die Empfangssignale der drei Empfangselemente also dazu verwendet,
um in der Schwellwertbestimmungseinrichtung einen besonders geeigneten Schwellwert
festzulegen, der dann wiederum einen einfachen Signalvergleich beispielsweise
mittels eines Komparators ermöglicht.
Dadurch ist unabhängig
von der Höhe
der zu detektierenden Gegenstände
stets ein geeigneter Schwellwert eingestellt, so dass auch für Gegenstände einer
vergleichsweise geringen Höhe
noch eine ausreichende Detektionssicherheit gewährleistet ist.
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Prinzipiell
kann eine derartige Schwellwertbestimmungseinrichtung auch mit den
Auswerteeinrichtungen gemäß der erläuterten
ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform kombiniert werden.
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Allen
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Sensors
ist gemeinsam, dass es sich bei dem Sendelicht und dem Empfangslicht
um Licht des sichtbaren, des infraroten oder des ultravioletten Wellenlängenbereichs
handeln kann.
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Die
drei Empfangselemente besitzen senkrecht zu der Transportebene des
Transportmittels vorzugsweise dieselbe Höhe.
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Der
Sensor kann als Lichtschranke ausgebildet sein, insbesondere als
eine Reflexionslichtschranke, bei der der Sender und der Empfänger auf der
einen Seite des Transportmittels und ein Reflektor auf der anderen
Seite des Transportmittels angeordnet sind. In diesem Fall ist es
bevorzugt, wenn der Sender und der Empfänger in Autokollimation, d.h. mit
gemeinsamer Sende- und Empfangsoptik angeordnet sind.
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Alternativ
hierzu kann der Sensor als ein Triangulationstaster ausgebildet
sein, wobei der Sender und der Empfänger vorzugsweise entlang der
Transportrichtung nebeneinander in Pupillenteilung angeordnet sind.
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Weitere
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Perspektivansicht eines Sensors, der an einem
Förderband
angeordnet ist.
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2 zeigt
ein Prinzipschaltbild des Sensors.
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3 bis 6 zeigen
die Verschaltung des Empfängers
des Sensors mit einer jeweiligen Auswerteeinrichtung sowie die zugeordneten
Signalverläufe
gemäß einer
ersten, einer zweiten, einer dritten bzw. einer vierten Ausführungsform.
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1 zeigt
einen Sensor 11, der als Reflexionslichtschranke mit einem
in Gegenüberstellung
angeordneten Reflektor 13 ausgebildet ist. Der Sensor 11 ist
an einem Förderband 15 angeordnet,
auf dem mehrere Gegenstände 17 unterschiedlicher
Höhe entlang
einer Transportrichtung T transportiert werden. Die Anordnung ist
dergestalt gewählt,
dass ein von dem Sensor 11 ausgesendeter Sendelichtstrahl 19 und
ein hiermit zusammenfallender, jedoch entgegengesetzt gerichteter
Empfangslichtstrahl 21 parallel zu der Transportebene des
Förderbands 15 und senkrecht
zu der Transportrichtung T verlaufen.
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2 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des Sensors 11. Dieser besitzt
einen Lichtsender 23, beispielsweise eine Leuchtdiode oder
eine Laserdiode. Der Sender 23 sendet einen Sendelichtstrahl 19 aus, der
von einem halbdurchlässigen
Spiegel 25 durch eine Sende- und Empfangsoptik 27 in
Richtung des Reflektors 13 (in 2 nicht
gezeigt) umgelenkt wird. Der von dem Reflektor 13 reflektierte
Empfangslichtstrahl 21 gelangt durch die Sende- und Empfangsoptik 27 und
durch den halbdurchlässigen
Spiegel 25 hindurch auf einen photoelektrischen Empfänger 29. Dieser
ist mit einer Auswerteeinrichtung 31 verbunden, die einen
Schaltausgang 33 besitzt.
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Die
Sende- und Empfangsoptik 27 weitet den Sendelichtstrahl 19 zu
einem Bündel
auf bzw. fokussiert den Empfangslichtstrahl 21 auf den
Empfänger 29.
Der Strahlengang des Sendelichtstrahls 19 und des Empfangslichtstrahls 21 zwischen
der Sende- und Empfangsoptik 27 und dem Reflektor 13 definiert einen Überwachungsbereich 35.
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Das
Einfahren von mittels des Förderbands 15 transportierten
Gegenständen 17 in
diesen Überwachungsbereich 35 und
das Ausfahren von Gegenständen 17 aus
dem Überwachungsbereich 35 kann anhand
der hierdurch verursachten Änderung
der Empfangssignale des Empfängers 29 und
aufgrund einer entsprechenden Auswertung mittels der Auswerteeinrichtung 31 erkannt
werden. Sofern sich ein Gegenstand 17 im Überwachungsbereich 35 befindet,
gibt die Auswerteeinrichtung 31 an dem Schaltausgang 33 ein
Gegenstandsfeststellungssignal aus.
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Der
Empfänger 29 besitzt
drei beispielsweise durch Photodioden gebildete Empfangselemente, die
parallel zu der vorbestimmten Transportrichtung T angeordnet und
zu zwei verschiedenen Empfangskanälen zusammengefasst sind, wie
nachfolgend anhand unterschiedlicher Ausführungsformen des Sensors 11 bzw.
der Auswerteeinrichtung 31 erläutert wird.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der ersten Ausführungsform.
Bei dieser sind drei Empfangselemente 41, 42, 43 vorgesehen,
die entlang der Transportrichtung (T) nebeneinander angeordnet sind
und deren lichtempfindliche Flächen
sich senkrecht zu der Bewegungsebene des Förderbands 15 erstrecken.
Die beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 sind
zu einem ersten Empfangskanal 51 zusammengefasst. Das mittlere
Empfangselement 42 bildet einen zweiten Empfangskanal 52.
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Die
Auswerteeinrichtung 31 besitzt eingangsseitig einen Differenzverstärker 61.
Der erste Empfangskanal 51 wird am negativen Eingang und der
zweite Empfangskanal 52 am positiven Eingang des Differenzverstärkers 61 ausgelesen
(oder umgekehrt). Der Differenzverstärker 61 bildet ein
Differenzsignal 74, das der Differenz zwischen dem Empfangssignal
des mittleren Empfangselements 42 einerseits und der Summe
der Empfangssignale der beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 andererseits
entspricht. Dieses Differenzsignal wird einem Nulldurchgangsdetektor 63 mit Vorzeichendetektor zugeführt. Dieser
besitzt zwei Ausgänge,
die mit einem Reset-Eingang und einem Set-Eingang eines RS-Flipflops 65 verbunden
sind. Dessen Ausgang bildet wiederum den Schaltausgang 33.
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Der
Nulldurchgangsdetektor 63 vermag auf an sich bekannte Weise
einen Nulldurchgang des zugeführten
Differenzsignals 74 sowie die Steigung des Differenzsignals 74 im
Nulldurchgang zu detektieren. Sofern ein Nulldurchgang mit negativem
Vorzeichen der Signalsteigung detektiert wird, liefert der Nulldurchgangsdetektor 63 einen
Schaltpuls an den Set-Eingang
des RS-Flipflops 65. Bei einem Nulldurchgang mit positivem
Vorzeichen der Signalsteigung wird ein Schaltpuls an den Reset-Eingang
des RS-Flipflops ausgegeben. Dieses liefert dementsprechend am Schaltausgang 33 ein
Gegenstandsfeststellungssignal, solange der Sendelichtstrahl 19 oder der
Empfangslichtstrahl 21 durch einen auf dem Förderband 15 transportierten
Gegenstand 17 (1) teilweise oder vollständig unterbrochen
ist.
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3 zeigt
im unteren Bereich den entsprechenden Signalverlauf S. Angetragen
sind – in
willkürlichen
Einheiten und für
unterschiedliche Phasen des Eindringens eines Gegenstands 17 in
den Überwachungsbereich 35 – das Empfangssignal 71 des ersten
Empfangskanals 51, das Empfangssignal 72 des zweiten
Empfangskanals 52 (gestrichelt eingezeichnet) und das genannte
Differenzsignal 74, das von dem Differenzverstärker 61 ausgegeben
wird.
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Für eine erste
Phase I des Signalverlaufs S ist der Zustand bei freiem Überwachungsbereich 35 gezeigt.
Die Empfangssignale 71, 72 des ersten Empfangskanals 51 und
des zweiten Empfangskanals 52 liegen in voller und jeweils
gleicher Amplitude vor. Das Differenzsignal 74 besitzt
dementsprechend den Wert Null.
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In
einer sich hieran anschließenden
Phase II des Signalverlaufs S fährt
der betreffende Gegenstand 17 entlang der Transportrichtung
T allmählich in
den Überwachungsbereich 35 ein
und verdeckt dadurch in zunehmendem Maße das entsprechende äußere Empfangselement 41,
so dass der Pegel des zugeordneten Empfangssignals 71 absinkt.
Dementsprechend steigt das Differenzsignal 74 an.
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Danach
(Phase III) wird auch das mittlere Empfangselement 42 in
zunehmendem Maße
abgedeckt und empfängt
weniger Licht, so dass das Empfangssignal 72 des zweiten
Empfangskanals 52 ebenfalls abfällt. Dementsprechend verringert
sich auch das Differenzsignal 74. Da der Abfall des Empfangssignals 72 in
der Phase III stärker
ist als der Abfall des Empfangssignals 71 in der Phase
II, sinkt das Differenzsignal 74 von einem positiven Wert
auf einen negativen Wert und vollzieht somit einen Nulldurchgang 77 mit
negativem Vorzeichen der Signalsteigung. Dies wird von dem Nulldurchgangsdetektor 63 detektiert,
der einen entsprechenden Schaltpuls an den Set-Eingang des RS-Flipflops 65 ausgibt.
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In
einer anschließenden
Phase IV deckt der weiterhin entlang der Transportrichtung T transportierte
Gegenstand 17 in zunehmendem Maße auch das weitere äußere Empfangselement 43 ab,
so dass das zugeordnete Empfangssignal 71 noch weiter abfällt und
das Differenzsignal 74 dementsprechend ansteigt.
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Schließlich befindet
sich der Gegenstand 17 vollständig im Überwachungsbereich 35.
Dies ist für den
in 3 gezeigten Signalverlauf als Phase V eingezeichnet.
Die Empfangssignale 71, 72 der beiden Empfangskanäle 51, 52 besitzen
nun einen gemeinsamen niedrigeren Wert, und das Differenzsignal 74 besitzt
dementsprechend den Wert Null. Der Grund, warum die beiden den Empfangskanälen 51, 52 zugeordneten
Empfangssignale 71, 72 nicht ebenfalls den Wert
Null annehmen, besteht darin, dass die Empfangselemente 41, 42, 43 durch
den Gegenstand 17 nicht unbedingt vollständig abgedeckt
werden. Vielmehr besitzen die Gegenstände 17 zwar unterschiedliche,
jedoch begrenzte Höhen. Somit
werden der Sendelichtstrahl 19 bzw. der Empfangslichtstrahl 21 generell
nicht vollständig
unterbrochen, so dass – je
nach Höhe
des Gegenstands 17 – ein
Teil des Sendelichts den Empfänger 29 stets noch
beaufschlagt.
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Für das Ausfahren
des betreffenden Gegenstands 17 aus dem Überwachungsbereich 35 ergibt sich
ein spiegelsymmetrischer Signalverlauf S, d.h. die Empfangssignale 71, 72 und
das Differenzsignal 74 ändern
sich in der Reihenfolge der in 3 gezeigten
Phasen V, IV, III, II und I. Dementsprechend vollzieht das Differenzsignal 74 beim
Ausfahren des Gegenstands 17 aus dem Überwachungsbereich 35 einen
Nulldurchgang mit positivem Vorzeichen der Signalsteigung, so dass
der Nulldurchgangsdetektor 63 den Reset-Eingang des RS-Flipflops 65 schaltet und
das Gegenstandsfeststellungssignal am Schaltausgang 33 demzufolge
wieder deaktiviert wird.
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Ein
Vorteil der in 3 gezeigten Ausführungsform
besteht darin, dass Gegenstände 17 unterschiedlicher
Höhe zuverlässig detektiert
werden können.
Zwar ergeben sich für
verschiedene Höhen der
Gegenstände 17 unterschiedliche
Verläufe
der Empfangssignale 71, 72 in den Phasen II, III,
IV und V. Allerdings vollzieht das Differenzsignal 74 für alle Gegenstandshöhen stets
einen detektierbaren Nulldurchgang 77, wobei innerhalb
der Phase III ein hinreichend großer Signalhub erzielt wird,
da das Empfangselement 42 parallel zur Transportrichtung
T von zwei Empfangselementen 41, 43 umgeben ist,
die in der Auswerteeinrichtung 31 mit entgegengesetztem Vorzeichen
ausgewertet werden.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Einfahren eines Gegenstands 17 in
den Überwachungsbereich 35 eindeutig
von einem Ausfahren aus dem Überwachungsbereich 35 unterschieden werden
kann, und zwar unabhängig
davon, ob der betreffende Gegenstand 17 sich entlang der
in 1 gezeigten Transportrichtung T oder ausnahmsweise in
entgegengesetzter Richtung bewegt. Das Vorzeichen der Signalsteigung
im Nulldurchgang 77 ist nämlich aufgrund der symmetrischen
Zuordnung der Empfangselemente 41, 42, 43 zu
den beiden Empfangskanälen 51, 52 allein
davon abhängig,
ob die Vorderseite des Gegenstands 17 oder dessen Rückseite
den Überwachungsbereich 35 durchläuft.
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Ein
besonderer Vorteil ist auch darin zu sehen, dass ein herkömmlicher
Nulldurchgangsdetektor 63 mit Vorzeichendetektor eingesetzt
werden kann. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
der Empfänger 29 und
die Auswerteeinrichtung 31 dergestalt konfiguriert sind,
dass bei freiem Überwachungsbereich
(Phase I) die Signalamplituden 71, 72 der beiden
Empfangskanäle 51, 52 gleich
groß sind.
Insbesondere ist die jeweilige lichtempfindliche Fläche der beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 halb
so groß wie
die lichtempfindliche Fläche
des mittleren Empfangselements 42, und die Empfangssignale 71, 72 der
beiden Empfangskanäle 51, 52 werden
dem Differenzverstärker 61 mit
derselben Verstärkung
zugeführt.
Dadurch ist gewährleistet,
dass auch bei vollständig
im Überwachungsbereich 35 befindlichem Gegenstand 17 (Phase
V) das Differenzsignal 74 den Wert Null annimmt.
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Schließlich ist
ein weiterer Vorteil darin zu sehen, dass eventuelle Höhenschwankungen
des Förderbands 15 sich
nicht nachteilig auf die Detektionssicherheit auswirken, da derartige
Höhenschwankungen
die Empfangssignale 71, 72 der Empfangskanäle 51, 52 gleichermaßen betreffen
und das Differenzsignal 74 somit nicht beeinflussen.
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Zu
der ersten Ausführungsform
gemäß 3 ist
noch anzumerken, dass der Nulldurchgangsdetektor 63 eine
Schalthysterese berücksichtigen
kann, um unbeabsichtigte Schaltsignale beispielsweise aufgrund eines
Rauschens des Differenzsignals 74 zu vermeiden.
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Die
jeweilige Darstellung der weiteren Ausführungsformen in den 4 bis 6 entspricht
der Darstellung gemäß 3,
wobei gleichartige Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet
sind.
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4 zeigt
ein Beispiel für
die zweite Ausführungsform
der Auswerteeinrichtung 31. Dieser besitzt wiederum zwei äußere Empfangselemente 41, 43,
die einen ersten Empfangskanal 51 bilden, sowie ein mittleres
Empfangselement 42, das einem zweiten Empfangskanal 52 zugeordnet
ist.
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Innerhalb
der Auswerteeinrichtung 31 wird das zusammengefasste Empfangssignal 71 des
ersten Empfangskanals 51 dem negativen Eingang eines Differenzverstärkers 81 zugeführt, während das Empfangssignal 72 des
zweiten Empfangskanals 52 zunächst in einem Vorverstärker 83 verstärkt und
anschließend
dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 81 zugeführt wird,
wobei diese Polaritäten auch
vertauscht sein können.
Das vom Differenzverstärker 81 erzeugte
Differenzsignal 74 entspricht der Differenz zwischen dem
verstärkten
Empfangssignal 72 des zweiten Empfangskanals 52 und
dem Empfangssignal 71 des ersten Empfangskanals 51.
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Dieses
Differenzsignal 74 wird einem Komparator 85 zugeführt, der
das Differenzsignal 74 mit einer Schaltschwelle vergleicht
und in Abhängigkeit von
dem Ergebnis dieses Vergleichs an dem Schaltausgang 33 ein
Gegenstandsfeststellungssignal erzeugt.
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Eine
Besonderheit der in 4 gezeigten Ausführungsform
gegenüber
der Ausführungsform gemäß 3 besteht
darin, dass das Empfangssignal 72 des zweiten Empfangskanals
52 am Eingang des Differenzverstärkers 81 stärker gewichtet
ist als das Empfangssignal 71 des ersten Empfangskanals 51.
Bei freiem Überwachungsbereich
(Phase I des Signalverlaufs S in 4) entspricht
die Signalamplitude des ersten Empfangskanals 51 nämlich dem Produkt
aus der Signalamplitude des zweiten Empfangskanals 52 und
einem Verhältnisfaktor
k, der einen Wert kleiner eins besitzt. Dies ist in dem Schaltbild
gemäß 4 durch
den Vorverstärker 83 mit
der Beschriftung "·1/k" symbolisiert. Anstelle
dieser unterschiedlichen Verstärkung
der beiden Empfangskanäle 51, 52 kann
jedoch auch vorgesehen sein, dass die gesamte lichtempfindliche
Fläche
der beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 dem
Produkt aus der lichtempfindlichen Fläche des mittleren Empfangselements 42 und
dem genannten Verhältnisfaktor k entspricht,
wobei beide Empfangskanäle 51, 52 gleich
stark verstärkt
werden.
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4 zeigt
im unteren Bereich wiederum den Signalverlauf S der Empfangssignale 71, 72 der beiden
Empfangskanäle 51, 52 sowie
des Differenzsignals 74 des Differenzverstärkers 81 für die unterschiedlichen
Phasen I, II, III, IV und V des Einfahrens eines Gegenstands 17 in
den Überwachungsbereich 35,
wie bereits im Zusammenhang mit 3 erläutert. Die
vorstehend erläuterte
unterschiedliche Gewichtung der beiden Empfangskanäle 51, 52 führt dazu,
dass das Empfangssignal 71 sowohl bei freiem Überwachungsbereich 35 (Phase
I) als auch bei vollständig
im Überwachungsbereich
35 befindlichem Gegenstand 17 (Phase V) um den genannten
Verhältnisfaktor
k geringer ist als das Empfangssignal 72. Dies bewirkt
wiederum, dass das Differenzsignal 74 vor dem Einfahren
des Gegenstands 17 (Phase I) und nach dem vollständigen Einfahren
(Phase V) unterschiedliche, von Null verschiedene Werte besitzt.
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Dadurch
ist es möglich,
eine Schaltschwelle 87 auszuwählen, die zwischen dem Wert
des Differenzsignals 74 bei freiem Strahlengang (Phase
I) und bei vollständig
im Überwachungsbereich 35 befindlichem
Gegenstand 17 (Phase V) liegt, wie in 4 gestrichelt
eingezeichnet.
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Anhand
dieser Schaltschwelle 87 kann innerhalb des Komparators 85 ein
einfacher Schwellwertvergleich des Differenzsignals 74 vorgenommen werden.
Der Komparator 85 gibt also ein Gegenstandsfeststellungssignal
aus, falls das Differenzsignal 74 geringer ist als die
Schaltschwelle 87. Dieser Schwellwertdurchgang 89 findet
innerhalb der Phase III statt. Das Gegenstandsfeststellungssignal
wird wieder deaktiviert, sobald das Differenzsignal 74 die Schaltschwelle 87 erneut überschreitet.
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Falls
die beiden Empfangskanäle 51, 52 an den
Eingang des Differenzverstärkers 81 mit
entgegengesetzter Polarität
angeschlossen werden, so erzeugt der Komparator 85 das
Gegenstandsfeststellungssignal bei einem Überschreiten der Schaltschwelle 87.
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Vorzugsweise
berücksichtigt
der Komparator 85 eine Schalthysterese 91, die
in 4 in der Umgebung der Schaltschwelle 87 ebenfalls
eingezeichnet ist.
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Ein
besonderer Vorteil der Ausführungsform gemäß 4 besteht
darin, dass aufgrund der erläuterten
unterschiedlichen Gewichtung der Empfangskanäle 51, 52 das
Differenzsignal 74 verstimmt ist, so dass mittels eines
Komparators 85 ein einfacher Schwellwertvergleich durchgeführt werden
kann, um das Vorhandensein eines Gegenstands 17 im Überwachungsbereich 35 eindeutig
festzustellen. Somit kann zwischen einem Einfahren und einem Ausfahren
des Gegenstands 17 bezüglich
des Überwachungsbereichs 35 unterschieden
werden, unabhängig
davon, ob der Gegenstand 17 sich tatsächlich entlang der vorbestimmten
Transportrichtung T oder ausnahmsweise entgegen dieser Transportrichtung T
bewegt.
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Ferner
ist auch bei dieser Ausführungsform für Gegenstände 17 unterschiedlicher
Höhe eine hohe
Detektionssicherheit gewährleistet,
insbesondere bei Berücksichtigung
einer Schalthysterese 91. Dies ist auf den vergleichsweise
großen
Signalhub des Differenzsignals 74 innerhalb der Phase III
zurückzuführen, der
aus der alternierenden Zuordnung der drei Empfangselemente 41, 42, 43 zu
den beiden Empfangskanälen 51, 52 resultiert.
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Auch
bei der Ausführungsform
gemäß 4 wirken
sich eventuelle Höhenschwankungen
des Förderbands 15 nicht
auf das Differenzsignal 74 aus und bewirken deshalb keine
Beeinträchtigung
der Detektionssicherheit.
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Schließlich ist
zu der unterschiedlichen Gewichtung der beiden Empfangskanäle 51, 52 noch anzumerken,
dass der genannte Verstärkungsfaktor k
beispielsweise den Wert 0,9 besitzen kann, d.h. die gesamte lichtempfindliche
Fläche
der beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 ist
um den Faktor 0,9 geringer als die lichtempfindliche Fläche des
mittleren Empfangselements 42. Nach oben ist der Wert des
Verstärkungsfaktors
k dadurch begrenzt, dass die an sich erwünschte Verstimmung des Differenzsignals 74 umso
geringer ausfällt,
je näher
der Verstärkungsfaktor
k an dem Wert eins gewählt
ist. Nach unten ist der Wert des Verstärkungsfaktors k letztlich durch
das erwünschte
Auflösungsvermögen von
Gegenständen 17 unterschiedlicher
Höhe begrenzt.
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5 zeigt
ein Beispiel für
die dritte Ausführungsform,
bei der wiederum drei entlang der Transportrichtung T nebeneinander
angeordnete Empfangselemente 41, 42, 43 vorgesehen
sind. Die beiden äußeren Empfangselemente 41, 43 werden
als erster Empfangskanal 51 zusammengefasst der Auswerteeinrichtung 31 zugeführt, während das
mittlere Empfangselement 42 einen eigenen, zweiten Empfangskanal 52 bildet.
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Die
beiden Empfangskanäle 51, 52 sind,
wie bei der zweiten Ausführungsform
gemäß 4,
unterschiedlich gewichtet. Dies ist in 5 durch
einen Vorverstärker 93 angeordnet,
der das Empfangssignal des zweiten Empfangskanals 52 um
einen Faktor 1/k verstärkt.
Alternativ oder zusätzlich
hierzu kann die lichtempfindliche Fläche des mittleren Empfangselements 42 entsprechend
größer sein
als die Summe der lichtempfindlichen Flächen der äußeren Empfangselemente 41, 43,
und/oder das mittlere Empfangselement 42 wird entsprechend
stärker
lichtbeaufschlagt als die äußeren Empfangselemente 41, 43.
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Die
Empfangssignale 71, 72 der beiden Empfangskanäle 51, 52 werden
innerhalb der Auswerteeinrichtung 31 einem Komparator 95 zugeführt, der
die beiden Empfangssignale 71, 72 miteinander vergleicht.
Der Komparator 95 erzeugt am Schaltausgang 33 beispielsweise
dann ein Gegenstandsfeststellungssignal, wenn das Empfangssignal 72 des zweiten
Empfangskanals 52 geringer ist als das Empfangssignal 71 des
ersten Empfangskanals 51, wobei eine Schalthysterese 97 berücksichtigt
wird. Das Gegenstandsfeststellungssignal wird also erst dann ausgegeben,
wenn das Empfangssignal 71 einen oberen Wert der Schalthysterese 97 überschreitet.
Der entsprechende Schaltpunkt 99 liegt in der Phase III
des allmählichen
Abdeckens des mittleren Empfangselements 42 durch den betreffenden
Gegenstand 17.
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Nachfolgend
wird das Gegenstandsfeststellungssignal am Schaltausgang 33 erst
dann wieder deaktiviert, wenn das Empfangssignal 71 des
ersten Empfangskanals einen unteren Wert der Schalthysterese 97 erneut
unterschreitet. Dies ist der Fall, wenn der betreffende Gegenstand 17 den Überwachungsbereich 35 wieder
verlässt
und die Rückseite des
Gegen stands 17 das mittlere Empfangselement 42 passiert,
wobei der betreffende Schaltpunkt aufgrund der Schalthysterese 97 bezüglich des
in 5 gezeigten Schaltpunkts 99 versetzt
ist.
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Ein
besonderer Vorteil der dritten Ausführungsform gemäß 5 besteht
darin, dass die Auswerteeinrichtung 31 mit dem Komparator 95 besonders
einfach aufgebaut sein kann.
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Da
die Empfangssignale 71, 72 der beiden Empfangskanäle 51, 52 relativ
zueinander verglichen werden, besitzt der Sensor nach der dritten
Ausführungsform
gemäß 5 eine
hohe Detektionssicherheit für
Gegenstände 17 unterschiedlicher
Höhe.
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Aufgrund
der alternierenden Zuordnung der drei nebeneinander angeordneten
Empfangselemente 41, 42, 43 zu den beiden
Empfangskanälen 51, 52 kann
unabhängig
von der tatsächlichen
Bewegungsrichtung des Gegenstands 17 eindeutig zwischen
einem Einfahren in den Überwachungsbereich 35 und einem
Verlassen des Überwachungsbereichs 35 unterschieden
werden.
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Eventuelle
Höhenschwankungen
des Förderbands 15 wirken
sich nicht nachteilig auf die Detektionssicherheit aus, da hiervon
die beiden der miteinander verglichenen Empfangssignale 71, 72 betroffen
sind.
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Die
erläuterte
unterschiedliche Gewichtung der Empfangskanäle 51, 52 sorgt
für eine
gegenseitige Verstimmung der Signalverläufe S. Aufgrund dieser Verstimmung
ist eine korrekte Bestimmung des Schaltzustands und des als nächstes zu
berücksichtigenden
Werts der Schalthysterese auch unmittelbar nach Einschalten des
Sensors möglich.
Im Übrigen ist
die erläuterte
unterschiedliche Gewichtung der beiden Empfangskanäle 51, 52 jedoch
nicht zwingend erforderlich, sondern die entsprechenden Empfangssignale 71, 72 können dem
Komparator 95 auch mit gleicher Gewichtung zugeführt werden,
wie für
die erste Ausführungsform
gemäß 3 erläutert.
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6 zeigt
ein Beispiel für
eine Auswerteeinrichtung 31 gemäß der vierten Ausführungsform. Auch
hier sind drei entlang der Transportrichtung T nebeneinander angeordnete
Empfangselemente 41, 42, 43 zu einem
ersten und zweiten Empfangskanal 51 bzw. 52 zusammengefasst.
Deren Empfangssignale 71, 72 werden der Auswerteeinrichtung 31 mit gleicher
Gewichtung zugeführt.
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Die
Auswerteeinrichtung 31 besitzt eine Schwellwertbestimmungseinrichtung 101,
die die Empfangssignale 71, 72 beider Empfangskanäle 51, 52 analysiert,
um eine ideale Detektionsschwelle abzuschätzen, die für die eigentliche Gegenstandsdetektion
verwendet wird.
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Die
Schwellwertbestimmungseinrichtung 101 kann beispielsweise
einen Differenzverstärker besitzen,
durch den aus dem Empfangssignal 71 des ersten Empfangskanals 51 und
dem Empfangssignal 72 des zweiten Empfangskanals 52 ein
Differenzsignal 74 erzeugt wird. Auf Grundlage dieses Differenzsignals 74 kann
die Schwellwertbestimmungseinrichtung 101 gemäß einer "track&hold"-Funktion beispielsweise
denjenigen Wert des Empfangssignals 71 des ersten Empfangskanals 51 festlegen,
für den das
Vorzeichen der Signalsteigung des Differenzsignals 74 von
einem positiven zu einem negativen Wert wechselt. Der entsprechende
Auslösepunkt 103 am Übergang
zwischen der Phase II und der Phase III des Einfahrens des Gegenstands 17 in
den Überwachungsbereich 35 ist
in 6 eingezeichnet, ebenso wie der entsprechend festgelegte
Schwellwert 105.
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Die
Schwellwertbestimmungseinrichtung 101 übermittelt diesen Schwellwert 105 an
einen Komparator 107, der eingangsseitig außerdem das Empfangssignal 72 des
zweiten Empfangskanals 52 empfängt. Sobald das Empfangssignal 72 den Schwellwert 105 unterschreitet,
löst der
Komparator 107 am Schaltausgang 33 ein Gegenstandsfeststellungssignal
aus. Dieses wird erst dann wieder deaktiviert, wenn das Empfangssignal 72 den
Schwellwert 105 erneut überschreitet.
Dies ist erst beim Ausfahren des betreffenden Gegenstands 17 aus
dem Überwachungsbereich 35 wieder
der Fall.
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Die
Ausführungsform
mit einer Schwellwertbestimmungseinrichtung 101 gemäß 6 hat
den Vorteil, dass für
jeden in den Überwachungsbereich 35 einfahrenden
Gegenstand 17 ein optimaler Schwellwert 105 festgelegt
werden kann, so dass unabhängig
von der Höhe
der zu detektierenden Gegenstände 17 stets
eine hohe Detektionssicherheit gewährleistet ist.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
kann aufgrund der alternierenden Zuordnung der drei Empfangselemente 41, 42, 43 zu
den beiden Empfangskanälen 51, 52 unabhängig von
der tatsächlichen
Bewegungsrichtung des betreffenden Gegenstands 17 eindeutig
zwischen einem Einfahren und einem Ausfahren bezüglich des Überwachungsbereichs 35 unterschieden
werden.
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Eventuelle
Höhenschwankungen
des Förderbands 15 wirken
sich auf beide Empfangskanäle 51, 52 aus,
so dass diese prinzipiell zu keiner Beeinträchtigung der Detektionssicherheit
führen.
-
Die
vierte Ausführungsform
ist in 6 für gleiche
Signalamplituden der beiden Empfangskanäle 51, 52 bei
freiem Überwachungsbereich 35 (Phase I)
gezeigt. Es ist bei dieser Ausführungsform
jedoch auch möglich,
die Empfangssignale 71, 72 unterschiedlich zu
gewichten und somit relativ zueinander zu verstimmen, wie im Zusammenhang
mit den 4 und 5 bereits
erläutert.
-
- 11
- Sensor
- 13
- Reflektor
- 15
- Förderband
- 17
- Gegenstand
- 19
- Sendelichtstrahl
- 21
- Empfangslichtstrahl
- 23
- Sender
- 25
- halbdurchlässiger Spiegel
- 27
- Sende-
und Empfangsoptik
- 29
- Empfänger
- 31
- Auswerteeinrichtung
- 33
- Schaltausgang
- 35
- Überwachungsbereich
- 41
- Empfangselement
- 42
- Empfangselement
- 43
- Empfangselement
- 51
- erster
Empfangskanal
- 52
- zweiter
Empfangskanal
- 61
- Differenzverstärker
- 63
- Nulldurchgangsdetektor
- 65
- RS-Flipflop
- 71
- Empfangssignal
des ersten Empfangskanals
- 72
- Empfangssignal
des zweiten Empfangskanals
- 74
- Differenzsignal
- 77
- Nulldurchgang
- 81
- Differenzverstärker
- 83
- Vorverstärker
- 85
- Komparator
- 87
- Schaltschwelle
- 89
- Schwellwertdurchgang
- 91
- Schalthysterese
- 93
- Vorverstärker
- 95
- Komparator
- 97
- Schalthysterese
- 99
- Schaltpunkt
- 101
- Schwellwertbestimmungseinrichtung
- 103
- Auslösepunkt
- 105
- festgelegter
Schwellwert
- 107
- Komparator
- I
- Phase
des freien Überwachungsbereichs
- II
- Phase
des Verdeckens des ersten äußeren Empfangselements
- III
- Phase
des Verdeckens des mittleren Empfangselements
- IV
- Phase
des Verdeckens des zweiten äußeren Empfangsele
-
- ments
- V
- Phase
der Verdeckung aller Empfangselemente
- k
- Verhältnisfaktor
- S
- Signalverlauf
- T
- Transportrichtung