DE1119972B

DE1119972B - Inductive or capacitive scanning device using a resonance circuit

Info

Publication number: DE1119972B
Application number: DEL36806A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf Meyer; Dipl-Ing Goetz Hutschenreuther
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1960-08-11
Filing date: 1960-08-11
Publication date: 1961-12-21

Description

Induktive bzw. kapazitive Abtasteinrichtung unter Verwendung eines Resonanzkreises Bei der Lösung technischer Steuerungs- und Regelungsaufgaben benötigt man in vielen Fällen elektronische Abtastorgane, welche zu unterscheiden haben, ob sich ein bestimmter Gegenstand an einer bestimmten Stelle befindet oder nicht. Bekannt sind mechanische Abtaster, bei denen ein mechanischer Schalter z. B. geschlossen wird, wenn sich ein Schaltnocken an einer bestimmten Stelle befindet. Ferner sind photoelektrische Abtaster bekannt, die ein Signal abgeben, wenn sich ein Gegenstand oder eine undurchsichtige Stelle einer Codescheibe zwischen einer Lichtquelle und dem lichtempfindlichenAbtastelement befindet. Schließlich sind auch Oszillatoren bekannt, bei denen die Schwingungen abreißen, wenn eine Metallscheibe in den induktiven Rückkopplungsweg eingeführt wird.Inductive or capacitive scanning device using a Resonance circuit required when solving technical control and regulation tasks in many cases electronic scanning devices are used, which have to distinguish whether a certain object is in a certain place or not. Mechanical scanners are known in which a mechanical switch z. B. closed when a switching cam is at a certain point. Furthermore are Photoelectric scanners are known which emit a signal when an object is located or an opaque point on a code disk between a light source and the photosensitive scanning element. Finally, there are also oscillators known, in which the vibrations break away when a metal disc in the inductive Feedback path is introduced.

Schaltgeschwindigkeit, Schalthäufigkeit und Lebensdauer der mechanischen Abtaster sind klein. Die beiden anderen Arten von Abtasteinrichtungen benutzen Bauelemente mit begrenzter Lebensdauer, z. B. Röhren, Halbleiter und Lämpchen, geben nur kleine Leistungen ab und sind bei Verwendung von Halbleitern temperaturabhängig. Alle drei Typen von Abtasteinrichtungen verlangen einen großen technischen Aufwand und sind in ihrem mechanischen Aufbau wenig robust. Switching speed, switching frequency and service life of the mechanical Scanners are small. The other two types of scanners use components with limited service life, e.g. B. tubes, semiconductors and lights, only give small Powers and are temperature-dependent when semiconductors are used. All three Types of scanning devices require a great deal of technical effort and are not very robust in their mechanical structure.

Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden. Die erfindungsgemäße Ausbildung besteht aus rein passiven Elementen und ist als berührungsloser elektronischer Schalter ausgebildet. Die Erfindung bezieht sich auf eine induktive bzw. kapazitive Abtasteinrichtung, insbesondere für relativ zueinander bewegbare Teile, unter Verwendung eines Resonanzkreises, dessen induktives oder kapazitives Element durch ein bewegbares Teil geändert wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis als ferroresonanter Kreis derart ausgebildet ist, daß sich sein Schaltzustand bei Änderung des induktiven bzw. kapazitiven Elementes sprunghaft ändert. The invention eliminates the disadvantages of the known devices avoided. The training according to the invention consists of purely passive elements and is designed as a contactless electronic switch. The invention relates on an inductive or capacitive scanning device, especially for relative mutually movable parts, using a resonance circuit, its inductive or capacitive element is changed by a movable part. The invention is characterized in that the resonance circuit as a ferroresonant circuit in such a way is designed that its switching state when changing the inductive or capacitive Element changes by leaps and bounds.

Es ist bereits eine Steuereinrichtung für Werkzeugmaschinen od. dgl. bekannt, die von einem endlosen Stahlband Gebrauch macht, das den Luftspalt eines Rahmenkernes durchläuft, wobei der Rahmenkern mit zwei Wicklungen versehen ist. Durch verschiedenartige Magnetisierung des Stahlbandes wird die Gegeninduktivität zwischen den beiden Wicklungen geändert, und die sich an einer Wicklung ergebende Spannung wird verstärkt und weiterverarbeitet. Die Einrichtung ist unbrauchbar, wenn es sich darum handelt, die Annäherung eines von der Einrichtung unabhängigen Elementes beliebiger Abmessung zu signalisieren. It is already a control device for machine tools or the like. known, which makes use of an endless steel band that forms the air gap of a Frame core passes through, wherein the frame core is provided with two windings. The mutual inductance is determined by different types of magnetization of the steel strip changed between the two windings, and the one resulting from one winding Tension is reinforced and processed further. The facility is unusable, when it comes to approaching one of the facility independent Signal element of any size.

Es ist ferner eine Einrichtung zum Konstanthalten der Spannung eines Wechselstromnetzes mit Hilfe eines durch eine Regelvorrichtung geregelten Transformators bekannt, bei welcher die Regelvorrichtung durch einen zweiphasig geschalteten Induktionsmotor mit zwei Ständerwicklungen gesteuert wird. Diese Einrichtung besitzt dabei ein Widerstandsgebilde, das aus eisenhaltigen Drosselspulen und unveränderlichen Kondensatoren besteht. It is also a means for maintaining the voltage of a AC network with the help of a transformer controlled by a control device known, in which the control device by a two-phase switched induction motor is controlled with two stator windings. This facility has a resistance structure, which consists of ferrous inductors and immutable capacitors.

Es sind auch Einrichtungen bekannt, die der Prüfung von Werkstücken auf ihre Abmessungen hin dienen. Es handelt sich hierbei um elektromagnetische Meßlehren. Zur Empfindlichkeitssteigerung derartiger Meßlehren wird dabei in der Nähe der Resonanz eines aus Induktivität und Kapazität bestehenden Kreises gearbeitet. There are also known facilities for testing workpieces serve on their dimensions. These are electromagnetic gauges. In order to increase the sensitivity of such measuring gauges, in the vicinity of the resonance of a circuit consisting of inductance and capacitance.

Außerdem ist ein elektrischer Regler bekannt, der von zwei festen und einer beweglichen Elektrode Gebrauch macht, die einen Kondensator bilden. Die bewegliche Elektrode wird dabei von einem Zeiger eines Meßinstrumentes geführt. In addition, an electrical regulator is known which is composed of two fixed ones and makes use of a movable electrode constituting a capacitor. the movable electrode is guided by a pointer of a measuring instrument.

Schließlich sind Anordnungen zur Regelung von Wechselstrom-Generatoren bekannt, bei welchen der Erregerstromkreis des Generators über einen Gleichrichter von einer Wechselspannung gespeist wird und in die Wechselstromseite des Gleichrichters vormagnetisierte Drosselspulen eingeschaltet sind, wobei die Vormagnetisierung abhängig ist von dem gleichgerichteten Strom eines kippfähigen Kreises. Der Kippkreis ist eine Reihenschaltung eines Kondensators einer eisenhaltigen Drosselspule und eines Widerstandes. Finally, there are arrangements for regulating alternating current generators known in which the excitation circuit of the generator via a rectifier fed by an AC voltage and into the AC side of the rectifier bias coils are switched on, the bias being dependent is of the rectified current of a tiltable circuit. The tilting circle is a series connection of a capacitor a ferrous inductor and a resistance.

Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Elemente in den Figuren tragen gleiche Bezugszeichen. The invention is shown schematically with reference to in the drawing Embodiments explained in more detail. The same elements in the figures carry the same Reference number.

Die Erfindung geht aus von einem an sich bekannten Ferroresonanzkreis, wie ihn die Fig. 1 zeigt. Der Kreis besteht aus einer Reihenschaltung einer sättigbaren Induktivität 1 mit einem Kondensator 2 und einem Widerstand 3. Er wird aus einem Wechselstromgenerator 4 mit vernachlässigbar kleinem Innenwiderstand gespeist. Die Frequenz der sinusförmigen Speisespannung ist konstant, die Amplitude sei von Null an stetig einstellbar. The invention is based on a per se known ferroresonance circuit, as shown in FIG. 1. The circuit consists of a series connection of a saturable Inductor 1 with a capacitor 2 and a resistor 3. It is made of one Alternating current generator 4 is fed with a negligibly small internal resistance. the The frequency of the sinusoidal supply voltage is constant, the amplitude is assumed to be zero continuously adjustable.

Die Fig. 2 zeigt die Arbeitscharakteristik des Ferroresonanzkreises nach der Fig. 1. Beim Erhöhen der Generatorspannung UG von Null an steigt der Strom I von Null über A bis B. Erhöht man die Spannung jetzt noch ein wenig, so springt der Strom nach C (Strichelung) und steigt bei weiterer Vergrößerung der Generatorspannung UG weiter an, z. B. bis D. Wird die Spannung UG wieder verringert, dann folgt der Strom der Kurve von D über C bis E, springt plötzlich nach A und folgt der Kurve von A bis 0. Solange sich der jeweilige Arbeitspunkt auf dem linken Ast der Kurve, also zwischen 0 und B, befindet, fließt ein relativ kleiner Strom. Die Anordnung befindet sich im Zustand »0«. Befindet sich der Arbeitspunkt zwischen E und D, so fließt ein relativ großer Strom. Die Anordnung befindet sich im Zustand »L«. Zwischen B und E gibt es keine stabilen Arbeitspunkte. Der Ubergang von »0« nach »L« oder umgekehrt geschieht sprunghaft. Um einen solchen Übergang auszulösen, genügt es, die Spannung UGG ein wenig zu vergrößern bzw. zu verkleinern. Fig. 2 shows the working characteristics of the ferroresonance circuit according to FIG. 1. When the generator voltage UG is increased from zero, the current increases I from zero to A to B. If you now increase the voltage a little, it jumps the current to C (dashed lines) and increases with a further increase in the generator voltage UG continue to, z. B. to D. If the voltage UG is reduced again, then follows Stream of the curve from D through C to E, suddenly jumps to A and follows the curve from A to 0. As long as the respective working point is on the left branch of the curve, i.e. between 0 and B, a relatively small current flows. The order is in the "0" state. If the working point is between E and D, then a relatively large current flows. The arrangement is in the "L" state. Between B and E there are no stable working points. The transition from "0" to "L" or the other way round happens by leaps and bounds. To trigger such a transition, it is sufficient to increase or decrease the voltage UGG a little.

Gemäß der Erfindung wird der Kreis nach der Fig. 1 als Abtasteinrichtung verwendet, wobei nach der Fig. 3 in den Kreis beispielsweise eine zweite Induktivität 5 eingeschaltet ist, die als Abtastkopf wirkt. Diese Zusatzinduktivität wird durch die auftretenden Ströme nicht gesättigt. Der Übergang von »0« nach »L« der Anordnung bzw. umgekehrt wird durch Veränderung der Zusatzinduktivität 5 ausgelöst. Die Veränderung der Zusatzinduktivität 5 wird durch Annähern eines Gegenstandes aus geeignetem Material, z. B. Metall, an den Luftspalt der Zusatzinduktivität 5 bewirkt. In der Fig 4 ist ein Beispiel für die Ausführung der Induktivität 5 angegeben. Auf einem hufeisenförmigen Kern 6 befindet sich eine Wicklung7. Die magnetischen Kraftlinien schließen sich in der durch die gestrichelten Linien angedeuteten Weise. Wenn ein Metallstück 8 in dieses Feld gebracht wird, ändert sich die Induktivität der gesamten Anordnung. According to the invention, the circle of FIG. 1 is used as a scanning device used, according to FIG. 3, for example, a second inductance in the circle 5 is switched on, which acts as a scanning head. This additional inductance is due to the currents occurring are not saturated. The transition from "0" to "L" of the arrangement or vice versa is triggered by changing the additional inductance 5. The change the additional inductance 5 is determined by approaching an object made of a suitable material, z. B. metal, causes the air gap of the additional inductance 5. In Fig 4 is an example for the implementation of the inductance 5 is given. On a horseshoe-shaped Core 6 is a winding 7. The magnetic lines of force close in the manner indicated by the dashed lines. If a piece of metal 8 is brought into this field, the inductance of the entire arrangement changes.

Die Fig. 5 zeigt die Arbeitscharakteristik der erfindungsgemäßen Ausbildung für verschiedene Werte der Zusatzinduktivität 5. Wenn sich das Metallstück 8 (Fig. 4) nicht im Bereich des sich durch die Luft schließenden Magnetfeldes befindet, ist die Zusatzinduktivität5 relativ groß. Es gilt die Kurve 1 der Fig. 5. Die Generatorspannung UGG bleibt konstant auf einen Wert eingestellt. Die Anordnung befindet sich im Zustand »0«, da die Spannung UGG auf der Kurve 1 zwischen 0 und B liegt. Bei Annäherung des Metallstückes 8 an den Kern 7 (Fig. 4) wird die Zusatzinduktivität s kleiner, falls es sich bei dem Metall- stück 8 um ein Nichteisenmetall, z. B. Kupfer, handelt. Fig. 5 shows the working characteristics of the invention Training for different values of the additional inductance 5. When the piece of metal 8 (Fig. 4) is not in the area of the magnetic field closed by the air, the additional inductance5 is relatively large. The curve 1 of FIG. 5 applies. The generator voltage UGG remains set to a constant value. The arrangement is in the state "0" because the voltage UGG on curve 1 lies between 0 and B. When approaching of the metal piece 8 to the core 7 (Fig. 4) the additional inductance s is smaller, if the metal piece 8 to a non-ferrous metal, z. B. copper acts.

Es gilt die Kurve 2 der Fig. 5. Der Zustand »0« wird noch aufrechterhalten, da der PunktB' der Kurve 2 immer noch über der Spannung UGG liegt. Bei weiterer Annäherung des Metallstückes 8 an den Kern 7 (Fig. 4) wird die Zusatzinduktivität 5 noch kleiner.The curve 2 of Fig. 5 applies. The state "0" is still maintained, since point B 'of curve 2 is still above voltage UGG. With further The approach of the metal piece 8 to the core 7 (Fig. 4) becomes the additional inductance 5 even smaller.

Es gilt dann die Kurve 3 der Fig. 5. Der Punkt B" der Kurve 3 unterschreitet die Linie UGG, wodurch der Strom von J1 auf J2 springt (B" nach C). Die Anordnung befindet sich jetzt im Zustand »L«. Der Übergang von »0« nach »L« erfolgt sprungartig. Entfernt man das Metallstück 8 wieder vom Kern 7, dann wird die Zusatzinduktivität 5 wieder größer. Bei Erreichen der Kurve 2 wird der Zustand »L« noch aufrechterhalten, da der Punkt E' noch nicht die Linie UGG überschritten hat. Bei weiterer Entfernung des Metallstückes ergibt sich wieder die Kurve 1, wobei nunmehr der Punkt E die Linie UGG überschritten hat. Bei weiterer Entfernung des Metallstückes ergibt sich wieder die Kurve 1, wobei nunmehr der Punkt E die Linie UGG erreicht und damit eine sprunghafte Änderung des Stromes von J2 nach J1 erfolgt (E nach A).The curve 3 of FIG. 5 then applies. The point B ″ of curve 3 is below the line UGG, whereby the current jumps from J1 to J2 (B "to C). The arrangement is now in the "L" state. The transition from "0" to "L" takes place abruptly. If the metal piece 8 is removed again from the core 7, the additional inductance becomes 5 bigger again. When curve 2 is reached, the »L« state is still maintained, because point E 'has not yet crossed the UGG line. With further distance of the metal piece results again in curve 1, where now point E is the Line UGG has exceeded. Further removal of the piece of metal results again the curve 1, the point E now reaching the line UGG and thus a There is a sudden change in the current from J2 to J1 (E to A).

Die Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung läßt sich für verschiedene Leistungen und Frequenzen bauen. Leistungsstarke 50-Hz-Abtaster können z. B. für Fahrstuhlsteuerungen oder im Eisenbahn-Signalwesen verwendet werden. Für industrielle Anwendungen, z. B. bei Werkzeugmaschinensteuerungen, lassen sich kleine Abtastelemente mit großer Ansprechempfindlichkeit und einer hohen Frequenz der Generatorspannung UG bauen, wobei als Metallstück 8 (Fig. 4) eine Kupferfolie dienen kann. Die Erfindung ist mit Vorteil in Verbindung mit Codescheiben anwendbar. Diese werden nach Art gedruckter Schaltungen ausgebildet. Da die Codescheibe hier nicht -wie z. B. bei photoelektrischen Abtastern - in einem Spalt laufen muß, kann man sie beliebig dick und damit mechanisch stabil machen. The scanning device according to the invention can be used for different Build services and frequencies. Powerful 50 Hz samplers can e.g. B. for Elevator controls or railroad signaling. For industrial Applications, e.g. B. in machine tool controls, small sensing elements with great responsiveness and a high frequency of the generator voltage Build basement, where a copper foil can serve as the metal piece 8 (Fig. 4). The invention can be used with advantage in connection with code disks. According to Art printed circuits formed. Since the code disk is not here -like z. B. at photoelectric scanners - must run in a gap, they can be as thick as you want and thus make it mechanically stable.

An Stelle des ferroresonanten Serienkreises läßt sich auch ein ferroresonanter Parallelkreis nach der Fig. 6 verwenden. Die für den Serienkreis angegebenen elektrischen Vorgänge treten sinngemäß beim Parallelkreis auf. Ferner ist es möglich, keine Zusatzinduktivität5 zu verwenden, sondern die im ferroresonanten Kreis vorhandene sättigbare Induktivitätl oder Kapazität 2 so auszubilden, daß ihr Wert durch Annähern eines Metallstückes verändert wird, wodurch eine Änderung des Schaltzustandes des Kreises erfolgt. Instead of the ferroresonant series circle, a ferroresonant Use the parallel circle according to FIG. 6. The electrical specified for the series circuit Processes occur analogously with the parallel circle. It is also possible to have no additional inductance5 but the saturable inductance in the ferroresonant circuit or to train capacitance 2 in such a way that its value is achieved by bringing a piece of metal close to it is changed, whereby a change in the switching state of the circuit takes place.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Inductive or capacitive scanning device, especially for parts that can move relative to one another, using a resonance circuit whose inductive or capacitive element is changed by a movable part, characterized in that the resonance circuit as a ferroresonant circuit is designed that its switching state changes when the inductive or capacitive Element changes by leaps and bounds.

2. Scanning device according to claim 1, characterized in that the ferroresonance circuit contains a saturable and a non-saturable inductance, the non-saturable inductance being designed as a scanning head.

3. Scanning device according to claim 1, characterized in that just one saturable inductor is provided as the scanning head is trained.

4. Scanning device according to claim 1 to 3, characterized in that that as a movable scanned part is a code disk formed in a printed circuit is used.

Considered publications: German Patent Specifications No. 685 127, 914 152, 932319; U.S. Patent No. 2590091; Magazine »Microtechnik«, Born in 1956, pp. 157 to 169.