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Lichtschranke Die Erfindung betrifft eine Lichtschranke, bei welcher
auf der einen Seite eine Lichtquelle und ein erster foto elektrischer Empfänger
sowie lichtbündelnde optische Mittel angeordnet sind und bei welcher ein von der
Lichtquelle ausgesandtes Bündel von einem auf der anderen Seite angeordneten Umkehrreflektor
in die Einfallsrichtung zurückgeworfen wird und wenigstens teilweise auf den Empfänger
fällt.
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Es sind Lichtschranken bekannt, bei denen auf der einen Seite eine
Lichtquelle und ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet ist und auf der anderen
Seite ein Umkehrreflektor. Durch lichtbündelnde optische Mittel in Gestalt einer
Linse wird ein Lichtbündel erzeugt, das von der Lichtquelle ausgeht und auf den
Umkehrreflektor trifft. Von dem Umkehrreflektor wird das Lichtbündel in die Einfallsrichtung
zurückgeworfen. Lichtquelle und Empfänger sind spiegelbildlich zu einem teildurchlässigen
Spiegel angeordnet, durch welchen das vorlaufende Lichtbündel teilweise hindurchtritt
und das vom Umkehrreflektor kommende Lichtbündel teilweise auf den Empfänger geworfen
wird. Diese Lichtschranken müssen hinsichtlich des Bündeldurchmessers an die Abmessung
der Hindernisse angepaßt werden, auf welche die Lichtschranke ansprechen soll. Wenn
man mit einer Lichtschranke sehr kleine Hindernisse erfassen will, dann muß man
ein entsprechend feines Lichtbündel verwenden.
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Wenn man nämlich ein Lichtbündel mit großem Durchmesser benutzt,
dann wird der Lichtstrom durch ein kleines Hindernis prozentual nur sehr wenig geschwächt,
so daß die Lichtschranke dadurch nicht zum Ansprechen gebracht wird.
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Ein feines Lichtbündel setzt aber voraus, daß das Hindernis sehr
genau durch dieses Lichtbündel hindurchgeführt wird. Diese Bedingung ist aber häufig
gar nicht zu erfüllen. Im Gegenteil: Es ist oft notwendig, eine relativ breite Fläche
durch eine Lichtschranke abzusichern oder abzutasten, beispielsweise bei Unfallschutzvorrichtungen
an Pressen oder bei Anordnungen, bei denen ein Teil durch eine von der Lichtschranke
überwachte relativ große Fläche hindurchfällt und dabei einen Impuls auslösen soll
(deutsche Patentschrift 952155). Man hat auf verschiedene Weise versucht, diese
Probleme zu lösen.
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Bei einer bekannten Anordnung werden zwei streifenförmige Linsen
abschnitte relativ großer Höhe verwandt. Eine Lichtquelle sitzt im Brennpunkt des
ersten Linsenabschnitts, so daß der letztere ein paralleles Lichtbündel von flach
rechteckigem Querschnitt erzeugt, welches die zu überwachende Fläche abdeckt. Der
zweite Linsenabschnitt sammelt das
Licht auf einem Fotowiderstand. Der Fotowiderstand
liegt in einer Brückenschaltung, in deren einem Zweig ein einstellbarer Widerstand
zum Abgleich der Brücke vorgesehen ist. Die Brücke kann dann so abgeglichen werden,
daß ihre Diagonalspannung Null ist, solange kein Hindernis in die Lichtschranke
gelangt. Gelangt ein Hindernis in die Lichtschranke, dann kommt die Brücke aus dem
Gleichgewicht, weil sich die Belichtung des Fotowiderstandes und damit dessen Widerstand
ändert. Die Diagonalspannung steuert über einen geeigneten Verstärker ein Relais
oder liefert sonstwie ein Signal.
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Bei dieser Anordnung erfolgt der Brückenabgleich durch einen einstellbaren
Widerstand. Der Empfindlichkeit dieser Anordnung sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt,
weil die Lichtschranke natürlich nicht ansprechen soll, wenn sich der Lichtstrom
infolge von Netzspannungsschwankungen oder Lampenalterung verändert. Nachteilig
ist ferner, daß bei der bekannten Anordnung die Lampe und der Empfänger auf getrennten
Seiten der Lichtschranke angeordnet sind.
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Es ist bei der bekannten Anordnung eine genaue Justage der beiden
Glieder in ihrer gegenseitigen Lage erforderlich. Schon eine geringe Dejustierung
von Sender- oder Empfängerteil kann Änderungen des vom Empfänger aufgenommenen Lichtstromes
und damit eine falsche Signalgabe zur Folge haben.
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Das kann bei Erschütterungen sehr leicht eintreten.
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Schließlich ist nachteilig bei der bekannten Anordnung, daß zwei Teile
mit elektrischem Anschluß vorgesehen werden müssen: Das Senderteil mit der Lampe
auf der einen Seite der Lichtschranke und das Empfängerteil mit dem fotoelektrischen
Empfänger, Signalverstärker usw. auf der anderen Seite (deutsches Gebrauchsmuster
1 871 766).
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Eine andere bekannte Anordnung arbeitet mit einem Umkehrreflektor
auf der einen Seite der Lichtschranke und einem Sender-Empfänger-Teil auf der
anderen
Seite. Dieses letztere enthält - wie bei der eingangs geschilderten Anordnung -
einen teildurchlässigen Spiegel, zu welchem Lichtquelle und fotoelektrischer Empfänger
spiegelbildlich angeordnet sind. Um aber das Erfordernis eines an die Abmessungen
der Hindernisse angepaßten Bündeldurchmessers mit dem Erfordernis, eine relativ
große Fläche zu überwachen, in Einklang zu bringen, wird bei der bekannten Anordnung
das Lichtbündel über ein Spiegelrad sowie über einen streifenförmigen Hohlspiegel
geleitet, in dessen Brennpunkt das Spiegelrad liegt. Auf diese Weise streicht das
schmale Lichtbündel periodisch mit hoher Frequenz über die zu überwachende Fläche.
Wenn in der zu überwachenden Fläche ein Hindernis vorhanden ist, dann entsteht eine
Folge scharfer Impulse an dem fotoelektrischen Empfänger, und diese kann einen geeigneten
Schaltvorgang auslösen.
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Bei dieser Anordnung spielen Anderungen der Lampenhelligkeit keine
Rolle. Sie ist justierunempfindlich und enthält alle elektrischen Teile in einer
geschlossenen Baugruppe. Sie enthält jedoch auch bewegliche Teile in Gestalt eines
rotierenden Spiegelrades und eines Antriebsmotors, und das bringt eine gewisse Verkomplizierung
und Verteuerung. Bei kleinen Lichtschranken können auch konstruktive Schwierigkeiten
auftreten, weil das Spiegelrad und der Motor relativ viel Raum erfordern und nicht
beliebig verkleinert werden können. Ferner erfolgt bei der geschilderten bekannten
Anordnung nur ein periodisches Überstreichen der zu überwachenden Fläche und nicht
eine Überwachung durch ein ständig vorhandenes Lichtbündel. Die Abtastfrequenz muß
daher sehr hoch gewählt werden, damit sie groß ist gegen die Geschwindigkeit, mit
welcher sich das Hindernis durch die Lichtschranke bewegt. Das bedingt eine hohe
Drehzahl des Spiegelrades. Trotzdem könnte es geschehen, daß kleine, sehr schnell
bewegte Hindernisse nicht erfaßt werden (deutsche Patentschrift 967 578).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Überwachung von Flächen,
die groß gegen die Abmessungen der zu erwartenden Hindernisse sind, eine Lichtschranke
zu schaffen, die rein statisch arbeitet, also keine bewegten Teile aufweist und
die Fläche durch ein ständig vorhandenes Lichtbündel überwacht, die aber andererseits
justierunempfindlich ist und hinsichtlich des Ansprechens auf Lichtstromänderungen
sehr empfindlich gemacht werden kann, ohne daß die Gefahr von Fehlschaltungen gegeben
ist.
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Die Erfindung besteht darin, daß die lichtbündelnden optischen Mittel
ein ruhendes Bündel mit relativ großem Querschnitt erzeugen und daß ein zweiter
foto elektrischer Empfänger von derselben Lichtquelle belichtet wird und die Ausgangsgrößen
der Empfänger miteinander verglichen werden.
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Es ist an sich ein Rauchdichte-Meldegerät mit zwei Fotozellen in
einer Brückenschaltung bekannt (»Handbuch der Industriellen Elektronik«, 1954, S.
117, 118). Es handelt sich dort aber nicht um eine Lichtschranke der hier vorliegenden
Art. Es geht insbesondere dort nicht darum, einen Lichtvorhang verhältnismäßig großer
Breite so auszubilden, daß er einerseits ohne bewegliche Teile arbeitet, aber andererseits
auch auf keine Hindernisse anspricht, welche den Gesamtlichtstrom prozentual wenig
verändern.
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Die Erfindung verwendet also einen Umkehrrefiektor, und Lichtquelle
und Empfänger sind auf der gleichen Seite der Lichtschranke angeordnet wie bei der
geschilderten Anordnung nach der deutschen Patentschrift 952 155. Es ergibt sich
daher die gewünschte Justierunempfindlichkeit. Es erfolgt eine Nullpunktunterdrückung
ähnlich wie bei der geschilderten Anordnung nach dem deutschen Gebrauchsmuster 1
871 766. Diese Nullpunktunterdrückung erfolgt aber nicht wie bei dem deutschen Gebrauchsmuster
1 871 766 durch einen Brückenabgleich mittels eines Widerstandes, sondern mittels
eines zweiten fotoelektrischen Empfängers, der ebenfalls von dem Licht der Lichtquelle
beaufschlagt ist, so daß Änderungen in der Helligkeit der Lichtquelle keinen Einfluß
auf den Brückenabgleich haben. Letzteres wird praktisch nur dadurch möglich, daß
bei der gewählten Anordnung Lichtquelle und Empfänger auf der gleichen Seite der
Lichtschranke angeordnet sind.
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Auch Anderungen des am Empfänger wirksamen Lichtstromes infolge Dejustierung
sind nicht zu erwarten. Das macht es möglich, die Empfindlichkeit, mit welcher die
Lichtschranke auf Lichtstromänderungen anspricht, erheblich zu erhöhen, so daß man
entweder kleinere Hindernisse erfassen kann als mit der Lichtschranke nach dem deutschen
Gebrauchsmuster 1 871 766 oder aber breitere Bündel verwenden und dadurch größere
Flächen überwachen kann.
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Während es sich bei der Lichtschranke nach dem deutschen Gebrauchsmuster
1 871 766 um eine relativ kleine Lichtschranke zum Erfassen kleiner frei fallender
Teile handelt, kann man nach der Erfindung eine Lichtschranke größerer Abmessung,
z. B. zur Sicherung kleiner Pressen, aufbauen.
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Gegenüber einer Lichtschranke nach der deutschen Patentschrift 967578
bietet die erfindungsgemäße Lichtschranke den Vorteil, daß sie keine beweglichen
Teile enthält und daher einfach, betriebssicher und billig in der Herstellung wird.
Die Erfindung gestattet die Anwendung z. B. von flächenförmigen Lichtschranken als
Unfallschutzvorrichtung in solchen Fällen, wo sich eine Lichtschranke mit Spiegelrad
aus wirtschaftlichen Gründen nicht lohnen würde. In diesem Fall ist die Elektronik
den Sicherheitsbedingungen für Unfallschutz anzupassen.
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Es sind natürlich Zweistrahlmeßverfahren, z. B. bei Spektralphotometern,
bekannt, bei denen zwei von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel
miteinander verglichen werden. Dabei handelt es sich aber um eine Kompensationsmessung
einer stetig veränderlichen Größe. Demgegenüber bezieht sich die Erfindung nicht
auf eine Meßvorrichtung, sondern auf eine Lichtschranke mit »ja«-»nein«-Ausgang.
Hier hat das auf den zweiten Empfänger fallende Strahlenbündel den Zweck, Helligkeitsschwankungen
der Lampe zu kompensieren, um gefahrlos die Ansprechempfindlichkeit der Lichtschranke
erhöhen zu können. Natürlich weisen die bekannten Zweistrahlgeräte auch nicht den
erfindungsgemäßen Strahlengang mit Umkehrreflektor auf.
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Bei einer Anordnung, bei welcher die Lichtquelle und der erste Empfänger
spiegelbildlich zu einem teildurchlässigen Spiegel angeordnet sind, durch welchen
das vorlaufende Lichtbündel teilweise hindurchtritt und das vom Reflektor kommende
Lichtbündel teilweise auf den ersten Empfänger reflektiert wird, kann die Erfindung
vorteilhaft in der Form verwirklicht werden, daß das an dem Spiegel reflektierte
Teil
des vorlaufenden Lichtbündels auf den zweiten Strahlungsempfänger geleitet wird.
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Zur Erzielung einer flächenförmigen Lichtschranke können die lichtbündelnden
optischen Mittel von einem streifenförmigen Hohlspiegel gebildet werden, in dessen
Brennpunkt die Lichtquelle sitzt und dem ein entsprechend streifenförmiger Umkehrreflektor
gegenüberliegt.
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Zweckmäßigerweise wird das Licht moduliert, um Nebenlichteinflüsse
auszuschalten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und im folgenden beschrieben.
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F i g. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lichtschranke in Seitenansicht;
F i g. 2 zeigt die zugehörige Oberansicht; Fig.3 zeigt eine mögliche Schaltung der
Empfänger.
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Eine Lampe 1 sitzt im Brennpunkt eines streifenförmigen Hohlspiegels
2. Der Hohlspiegel erzeugt aus der von der Lampe 1 ausgehenden Strahlung ein paralleles
Strahlenbündel 3 von flach rechteckigem Querschnitt. Das Strahlenbündel 3 trifft
auf einen Umkehrreflektor 4, der von einem Streifen aus einer Vielzahl nebeneinanderliegender,
kleiner reflektierender Elemente, z. B. von Tripeln, gebildet wird. Von dem Umkehrreflektor
wird das Bündel 3 in sich zurückgeworfen und von dem Hohlspiegel 2 wieder fokussiert.
Dabei wird ein Teil des Lichts über einen geneigten teildurchlässigen Spiegel 5
auf einen fotoelektrischen Wandler 6 geworfen. Der teildurchlässige Spiegel 5 wird
auch von dem von der Lampe 1 ausgehenden vorlaufenden Strahlenbündel durchsetzt,
und dabei wird ein Teil des Lichts auf einen fotoelektrischen Wandler 7 geleitet.
Dieses Teil wird mittels einer Linse 8 gebündelt.
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Werden als fotoelektrische Wandler Fotowiderstände gewählt, so kann
eine Brückenschaltung, wie in Fig. 3 dargestellt, Anwendung finden. Die Fotowiderstände
6 und 7 bilden mit zwei weiteren Ohmschen Widerständen eine Brückenschaltung 9.
Die Brücke wird von einer Spannung Uß gespeist. Die Diagonalspannung UD der Brücke
steuert über einen Verstärker 10 ein Relais 11.
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Wenn ein Hindernis in den Strahlengang des Bündels 3 gelangt, sinkt
der Lichtstrom am Fotowiderstand 6, die Brücke wird verstimmt und über den Verstärker
10 das Relais 11 zum Ansprechen gebracht. Wenn sich dagegen z.B. durch Netzspannungsschwankungen
oder Lampenalterung die Lampenhelligkeit ändert, dann hat das kein Ansprechen der
Anordnund zur Folge, weil sich die dadurch bedingte Lichtstromänderung an beiden
Fotowiderständen in gleichem Maß auswirkt, so daß die Brückendiagonalspannung Null
bleibt. Auch Lichtstromänderungen durch Dejustierung können bei dieser Anordnung
nicht eintreten. Man kann daher die Empfindlichkeit der Lichtschranke durch geeignete
Bemessung des Verstärkers 10 sehr hoch wählen, ohne Fehlschaltungen befürchten zu
müssen.
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Die Brücke kann auch mit einer Wechselspannung gespeist werden. In
diesem Fall kann der Verstärker 10 als Wechselstromverstärker ausgebildet sein.
Wird erfindungsgemäß zwischen Verstärker und Relais zudem ein phasenempfindlicher
Gleichrichter eingeschaltet, so ist es möglich, die Richtung der
Brückenverstimmung
anzuzeigen, ohne dabei auf eine hohe Verstärkung verzichten zu müssen. Dieser Effekt
kann z. B. zum Sperren eines Vorganges, wie Blockieren einer Presse, ausgenutzt
werden.