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Die Erfindung bezieht sich auf eine Annäherungs-Fühlvorrichtung mit
einem Oszillator und einer Fühlerelektrode, deren Kapazität sich beim Annähern eines
Gegestandes ändert und eine Änderung des Schwingungszustandes des Oszillators hervorruft.
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Es sind viele Typen von elektrischen Annäherungs-Fühlern bekannt.
Sie werden beispielsweise zum Feststellen der Höhe von Flüssigkeiten oder Pulver
in einem Behälter oder Tank verwendet. Bei einigen von ihnen wird ein Oszillator
mit einer Vakuumröhre verwendet, so daß, wenn ein festzustellender Gegenstand sich
einer Fühlerelekrode nähert, deren Kapazität sich ändert, wodurch sich eine Änderung
in der Amplitude der Schwingung ergibt. Diese Änderung wird durch eine entsprechende
Änderung des Anodenstroms der Vakuumröhre festgestellt und zur Betätigung eines
Relais oder einer Anzeigevorrichtung benutzt.
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Verschiedene Versuche, solche Oszillatoren zu transistorisieren,
haben zu einer Reihe von Schwierigkeiten geführt. Bei einem Oszillator mit Transistoren,
beispielsweise vom Colpitts-Typ, befinden sich unter den Faktoren, welche die Amplitude
der Schwingung bestimmen, die elektrischen Eigenschaften des verwendeten Transistors,
und diese Eigenschaften werden sehr leicht durch die Umgebungstemperatur beeinflußt.
Das bedeutet, daß der Oszillator eines transistorierten Typs nicht in genau festgelegter
Weise in Abhängigkeit von einer Kapazitätsänderung in der Größenordnung von 1 bis
2 pF arbeiten kann, bei welcher ein Oszillator mit einer Vakuumröhre durchaus sicher
anspricht. Des weiteren werden Pulver oder Flüssigkeiten, beispielsweise 61, sehr
leicht elektrostatisch aufgeladen, wenn sie in einen Tank gefüllt oder gerührt werden.
Versuche zeigen, daß Pulver aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Kunststoff,
auf Spannungen von Hunderttausenden von Volt aufgeladen werden. Es geschieht nur
selten, daß Vakuumröhren durch die Entladung der statischen Elektrizität der Fühlerelektrode
zerstört werden. Eine solche Entladung würde jedoch sofort Transistoren zerstören,
so daß es notwendig wäre, eine Schutzschaltung vorzusehen.
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Wenn Schwierigkeiten dieser Art erfolgreich überwunden werden könnten,
wären die Vorteile der Transistoren gegenüber den Vakuumröhren offensichtlich. Mit
Transistoren könnte beispielsweise das ganze Gerät kleiner hergestellt werden ;
die Arbeitsspannung könnte sehr leicht von einer Zener-Diode abgeleitet werden,
wobei sich Verbesserungen hinsichtlich der Stabilität der Empfindlichkeit der Vorrichtung
bei Änderungen der Netzspannung ergeben ; die Vorrichtung wäre sofort betriebsbereit,
wenn sie eingeschaltet wird ; Transistoren haben eine längere Lebensdauer.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Annäherungs-Fühlvorrichtung
anzugeben, die mit einem Oszillator ausgestattet ist, der im Betrieb stabil und
genau arbeitet. Des weiteren soll dafür gesorgt werden, daß ein transistorierter
Oszillator verwendet werden kann, dessen Schwingungszustand sich bei einer Kapazitätsänderung
ändert, die durch die Annäherung eines Gegenstandes an das Fühlerelement verursacht
ist. Insbesondere sollen Schwankungen in der Umgebungstemperatur nur wenig Einfluß
haben.
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Die Erfindung geht von der eingangs beschriebenen Annaherungs-Fühlvorrichtung
aus und ist dadurch
gekennzeichnet, daß der Oszillator eine Reaktanzschaltung mit
einer Parallel-und einer Reihen-Resonanz-Frequenz besitzt sowie schwingt, wenn die
Reaktanzschaltung induktiv ist, und die Schwingung unterbricht, wenn die Reaktanzschaltung
kapazitiv ist, und daß die Kapazitätsänderung der Fühlerelektrode beim Annähern
eines Gegenstandes die zunächst induktive Reaktanzschaltung kapazitiv macht.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß die Schwingungsamplitude des Schwingkreises
sich schnell und scharf ändert, auch wenn der Gegenstand sich nur langsam dem Fühlerelement
nähert.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Schaltbild
einer Ausführungsform der Erfindung, Fig. 2 ein äquivalentes Schaltbild des Oszillators
nach F i g. 1, F i g. 3 und 4 Darstellungen des Reaktanzverlaufs in Abhängigkeit
von der Frequenz der in dem Oszillator verwendeten Reaktanzen.
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In F i g. 1 ist ein Oszillator 10 vom Colpitts-Typ gezeigt. Der Oszillator
weist einen Transistor 12 auf.
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Damit ein transistorisierter Colpitts-Oszillator seine Schwingung
aufrechterhält, müssen die Emitter-Basis-Reaktanzen und die Emitter-Kollektor-Reaktanzen
kapazitiv und die Basis-Kollektor-Reaktanzen induktiv sein. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel ist, obwohl ein Kondensator 13 zwischen die Basis und den Emitter
des Transistors 12 geschaltet ist, nicht nur ein Kondensator 20, sondern auch eine
Parallelschaltung 18 einer Spule 14 und eines Kondensators 16 in Reihe zwischen
den Emitter und Kollektor des Transistors 12 gelegt. Zwischen der Basis und dem
Kollektor des Transistors 12 ist eine Reihenschaltung eines Kondensators 22, einer
Induktionsspule 24 und eines Kondensators 26 geschaltet. Der Kondensator 22 hat
eine verhältnismäßig große Kapazität und bietet daher eine möglichst kleine Reaktanz
für die Schwingungsfrequenz des Oszillators.
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Eine Elektrode 28 zum Feststellen der Annäherung eines Gegenstandes
ist an einen Verbindungspunkt 30 zwischen der Spule 24 und dem Kondensator 26 angeschlossen.
Die Streukapazität der Spule 24 und auch der Elektrode 28 kann als äquivalenter
Kondensator 29 gedacht werden, der parallel zu der Reihenschaltung von Spule 24
und Kondensator 22 liegt.
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Zwischen die Leitungen 33 und 35, die zu den Anschlußklemmen 32 und
34 einer Spannungsquelle führen, ist ein Kondensator 36 gelegt, der diese Leitungen
bei hohen Frequenzen verbindet und gleichzeitig als Glättungskondensator dient.
Der Kondensator 36 ist jedoch nicht erforderlich, wenn die betriebliche Gleichspannungsquelle
gegenüber hohen Frequenzen eine niedrige Impedanz hat. Die Elektrode 28 ist mit
der Leitung 35 über eine Entladungsröhre 38 geringer Spannung verbunden.
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Mit der Spule 14 ist elektromagnetisch eine Kopplungsspule 40 verbunden,
die einen Teil der Spannung des Oszillators auskoppelt. Diese Spannung wird einem
Verstärker 44 zugeführt, der einen Transistor 42 aufweist. Dessen Ausgang wird über
einen Einweggleichrichter 46 einem Schaltkreis 50 zugeführt, der einen Transistor
48 aufweist. Das Vorhandensein oder das Fehlen einer Ausgangsspannung
an
der Klemme 52, was durch den leitenden oder nichtleitenden Zustand des Transistors
48 verursacht ist, wird benutzt, um das Annähern eines Gegenstandes an die Fühlerelektrode
anzuzeigen. Eine Zener-Diode 53 ist zwischen die Leitungen 33 und 35 gelegt, um
die Betriebsspannung zu stabilisieren. Der Kondensator22 läßt Frequenzen in der
Größenordnung von Megahertz hindurch, verhindert aber, daß die Gleichspannung zwischen
den Klemmen 32 und 34 an die Fühlerelektrode 28 gelangt. Der Oszillator 10 kann
auch wie die äquivalente Hochfrequenzschaltung nach F i g. 2 ausgelegt sein.
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Wie bereits erwähnt, ist es zum Schwingen des Oszillators 10 notwendig,
daß sowohl die Basis-Emitter-Reaktanz Xbe des Transistors 12 als auch die Emitter-Kollektor-Reaktanz
Xec kapazitiv ist und daß die Basis-Kollektor-Reaktanz Xbc des Transistors induktiv
ist. Während die Reaktanz Xbe immer kapazitiv ist, unabhängig von der Schwingungsfrequenz,
hat die Reaktanz Xec eine Reihen-Resonanz-Kreisfrequenz cot und eine Parallel-Resonanz-Kreisfrequenz
(°2'und die Reaktanz Xbc hat ebenfalls eine Reihen-Resonanz-Kreisfrequenz C03 und
eine Parallel-Resonanz-Kreisfrequenz 094. Es sei angenommen, daß col < @2 <
< ist. Eine Reihenschaltung der Reaktanzen Xbe, Xec und Xbc führt zu vier Resonanzfrequenzen
Ct) C06 C07 und füg, und die Schwingungs-Kreisfrequenzog0 des Oszillators 10 ist
gleich der Reihen-Resonanz-Frequenz o) 5 oder co7 ; und die Parallel-Resonanz-Frequenz
« der Reaktanz Xec und die Parallel-Resonanz-Frequenz (t) der Reaktanz Xbc ist gleich
den Parallel-Resonanz-Frequenzen o) 6 bzw. cuva.
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Die obigen Beziehungen lassen sich besser an Hand der Darstellung
der Fig. 3 erläutern. In der Nähe von Mg ist die Reaktanz Xec induktiv, während
die Reaktanz Xbc kapazitiv ist, so daß der Oszillator nicht mit den Schwingungen
beginnen kann. In der Nähe von og, ist die Reaktanz Xbc induktiv und die Reaktanz
Xec kapazitiv, so daß der Oszillator mit seinen Schwingungen beginnt, wenn o) o
gleich c9, geworden ist.
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Es sei angenommen, daß die Fühlerelekrode 28 in einem Tank angeordnet
ist, der geerdet ist und in dem das zu fühlende Material, beispielsweise Kömer oder
Pulver, gespeichert werden soll. Weil die Leitung 35, wie veranschaulicht, geerdet
ist und weil die Leitungen 33 und 35 bei hohen Frequenzen auf dem gleichen Potential
liegen, ist die Kapazität der Elektrode 28 auf Grund des Vorhandenseins des Pulvers
parallel zu der Reihenschaltung des Kondensators 22 und der Spule 24 und demzufolge
parallel zum Kondensator 29 geschaltet.
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Die Resonanzfrequenzen bis 0) 4 der Reaktanzen Xec und Xbc des Oszillators
10 und seine Schwingungsfrequenz (u können auf beliebige Werte eingestellt werden,
indem die die Reaktanzen bestimmenden Schaltungskonstanten entsprechend gewählt
werden. Wenn dann co0 und o), sehr dicht beieinander eingestellt worden sind, ergibt
sich derjenige Teil der Reaktanzkurve der Reaktanz Xbc, der nahe cl,, un 0) liegt,
in Form der vergrößert gezeichneten Darstellung der F i g. 4 a, mit einer entsprechenden
Berücksichtigung der verschiedenen Verluste an den Spulen, Widerständen usw.
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Wenn die Höhe des Pulvers sich der Elektrode 28 nähert, wächst die
Kapazität parallel zur Spule 24 an, so daß die Werte Mg und CV4 und demzufolge co0
ab-
nehmen. Je größer die Abnahme der Kapazität ist, um so größer ist die Abnahme
dieser Werte.
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Wenn die Schwingungsfrequenz wu abnimmt, wird die kapazitive Komponente
der Reaktanz Xec bei coo kleiner. Dies wiederum führt dazu, daß coo anwächst.
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Diese beiden Tendenzen kommen jedoch schließlich ins Gleichgewicht,
worauf (oo und co4 zu (, oo' und (04' werden und die Frequenzkurve in die Lage der
Fig. 4b verschoben ist. Theoretisch ist diese verschobene Stellung diejenige der
Parallelresonanz, und die Schwingung würde schon aufhören, bevor die Parallelresonanz
erreicht war. Bei der praktischen Auslegung der Schaltungen jedoch kann das Q der
Resonanzkreise nicht sehr groß sein. Deshalb werden beim weiteren Anwachsen der
Kapazität parallel zur Spule 24, weil die Höhe des Pulvers dichter an die Elektrode
herankommt, a) 4 und coo weiter zu den Werten co4"und coo"verschoben, wie es F i
g. 4 c zeigt. Dann macht die Abnahme von co, die induktive Komponente der Reaktanz
Xbc kleiner, wodurch (oo größer wird, bis die Reaktanz von dem induktiven in den
kapazitiven Zustand wechselt ; im Augenblick vor dem Wechsel stoppt die Schwingung.
Da die Anderung der Reaktanz Xbc in der Nähe seiner Parallel-Resonanz-Frequenz erfolgt,
verursacht eine kleine Änderung der Schwingungsfrequenz, daß der Schwingungszustand
fast im Sinne einer Schnappwirkung geändert wird, d. h., hier die Schwingungen unterbrochen
werden.
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Wenn die Höhe des zu beobachtenden Pulvers von der Elektrode 28 fortwandert,
kehrt die Schwingungsfrequenz coo zu dem ursprünglichen Wert zurück, so daß die
Schwingung wieder beginnt. Die Arbeitsempfindlichkeit der Vorrichtung kann durch
eine Änderung des Gleichgewichtspunktes zwischen der Abnahme der Schwingungsfrequenz
(o, wegen der Annäherung eines zu beobachtenden Gegenstandes an die Elektrode 28
und der Zunahme von co0 wegen der Charakteristik der ReaktanzXec geändert werden.
Mit anderen Worten, die Empfindlichkeit kann durch eine Änderung der Kapazität des
Einstellkondensators 16 geändert werden.
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Wenn der zu beobachtende Gegenstand schon elektrostatisch geladen
ist, ist es erforderlich, daß die Ladung an der Elektrode nicht über den Transistor
12 entladen werden kann. Zu diesem Zweck ist die Entladungsröhre 38 vorgesehen,
die diese Ladung zur Erde abführen kann.
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Die Ausgangsspannung des Oszillators 10 erscheint als Klemmenspannung
an der Spule 40. Diese Spannung wird durch den Verstärker 44 verstärkt und durch
den Einweggleichrichter 46 gleichgerichtet.
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Dann wird sie der Basis des Transistors 48 des Schaltkreises 50 zugeführt,
worauf der Transistor 48 nichtleitend gemacht wird, so daß eine Spannung an den
Klemmen 52 und 34 erscheint. Unter der Bedingung, daß der Oszillator seine Schwingungen
unterbricht, wird der Transistor 48 leitend, so daß die Spannung an den Klemmen
52 und 34 abnimmt. Durch die Abnahme kann die Unterbrechung der Schwingung und demzufolge
das Annähern eines Gegenstandes an die Elektrode festgestellt werden.
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Die Schwingungsamplitude des Oszillators 10 hat die Tendenz abzunehmen,
wenn die Kapazität der Elektrode 28 anwächst. Wenn die Anordnung so getroffen ist,
daß, wenn die Kapazität auf einen vorbestimmten Wert anFewachsen ist, die Schwingungsamplitude
des Oszillators einen plötzlichen Abfall erleidet,
wird die Schwingung
des Oszillators mit einer Schnappwirkung unterbrochen. Um dies zu verbessern, ist
eine Reihenschaltung einer Halbleiterdiode 60 und eines Widerstandes 62 parallel
zur Kopplungsspule 40 geschaltet.
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In dem obigen Ausführungsbeispiel sind Transistoren als Schaltungselemente
verwendet ; sie können jedoch durch Vakuumröhren ersetzt werden.