DE1548168B2 - Annaeherungsfuehler - Google Patents
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
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- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
- H03K17/945—Proximity switches
- H03K17/955—Proximity switches using a capacitive detector
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Description
1 2
Die Erfindung bezieht sich auf einen Annäherungs- des Kabels kann der erfindungsgemäße abgestimmte
fühler mit einem einen Schwingkreis aufweisenden Kreis in einem äquivalenten Schaltbild so aufgefaßt
Schwingungserzeuger, dessen Daten sich bei An- werden, daß er eine Parallelkombination der Kabelnäherung
eines Gegenstandes an eine Spule oder einen kapazität und der Reihenschaltung von Kondensator
Kondensator eines Fühlerkreises mit zwei in Reihe 5 und Spule am Ende der Fühlereinheit aufweist,
geschalteten Spulen derart ändern, daß der Schwin- welche mit der Reihenschaltung der Koppelspule und
gungserzeuger von einem Schwingungszustand in einen dem benachbarten Kondensator in Reihe liegt. Dann
anderen überwechselt. hat diese Schaltung zwei Reihenresonanzfrequenzen
Es sind Annäherungsfühler dieser Art bekannt, bei und eine dazwischenliegende Parallelresonanzfrequenz,
denen, wenn sich ein Gegenstand der Fühlereinheit io Dadurch, daß die beiden Spulen gleiche Induktivitäts-
nähert, die entsprechende Änderung der Induktivität werte und die beiden Kondensatoren gleiche Kapazi-
oder Kapazität den Schwingungszustand des Schwin- tätswerte haben, ist es möglich, die untere der beiden
gungserzeugers ändert und dadurch den Schwingungs- Reihenresonanzfrequenzen von der Kabelkapazität
Vorgang unterbricht oder einleitet. Diese Änderung des unabhängig zu machen. Daher kann das Problem der
Ausgangszustandes des Schwingungserzeugers wird als 15 Kabelkapazität dadurch gelöst werden, daß die
Signal dafür benutzt, ob sich ein Gegenstand im Feld Schwingungsfrequenz im wesentlichen auf den gleichen
der Fühlereinheit befindet oder nicht. Seit einigen Wert wie die untere abgestimmte Frequenz eingestellt
Jahren werden derartige Annäherungsfühler mit wird.
Transistoren versehen. Wenn sie bei relativ hohen Sehr günstig ist es, wenn in dem aus den beiden
Temperaturen verwendet werden, leidet ihre Arbeits- 20 Reihenschaltungen und in dem Kabel gebildeten
weise, weil Transistoren gegenüber Änderungen der Stromkreis ein Widerstand mit größerem WiderUmgebungstemperatur sehr empfindlich sind. standswert als dem des Kabels liegt. Wenn es nicht
Es sind Boden-Prüfgeräte bekannt, bei denen ein möglich ist, wie es meist der Fall sein wird, den WiderGeber elektromagnetische Wellen konstanter, gege- stand des Verbindungskabels zu vernachlässigen, kann
benenfalls umschaltbarer Frequenz ausstrahlt und die 25 man auf diese Weise den Einfluß des Kabelwiderstan-Antenne
eines Empfängers diese Wellen aufnimmt. des bei einer Änderung der Kabellänge auf ein Mini-Unterschiede
in der Bodenbeschaffenheit werden mum reduzieren.
durch unterschiedliche Stärke des empfangenen Signals Eine andere Lösung der gestellten Aufgabe besteht
festgestellt. Geber und Antenne können in einer erfindungsgemäß darin, daß die eine Spule mit einem
gemeinsamen Sonde vereinigt sein. Die Antenne ist 3° Kondensator in Reihe geschaltet und diese Reihen-
mit dem Empfänger über ein Kabel konstanter Länge schaltung über ein Kabel an die andere mit der
verbunden. Schwingkreisspule induktiv gekoppelte Spule ange-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schlossen ist und daß am Ende des Kabels mit der
Annäherungsfühler der eingangs beschriebenen Art Reihenschaltung ein Impedanzelement solcher Größe
anzugeben, bei dem die auf die Fühlereinheit wirken- 35 in Reihe liegt, daß die gemeinsame Impedanz von
den Temperatureinflüsse vom übrigen Schwingungs- Reihenschaltung und Impedanzelement etwa gleich
erzeugerferngehaltenwerdenkönnen,ohnedaßdadurch der charakteristischen Impedanz des Kabels ist.
besondere Erschwernisse beim Einbau dieses Fühlers Selbst wenn man das Kabel wegen zu großer Länge
auftreten. als verteilte Schaltung auffassen muß, hat bei diesem
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch 4° Ausführungsbeispiel eine Änderung der Kabellänge
gelöst, daß die eine Spule mit dem Kondensator in keinen Einfluß auf das Schwingungsverhalten.
Reihe geschaltet und diese Reihenschaltung über ein Die Erfindung wird nachstehend an Hand mehrerer
Kabel an die andere mit der Schwingkreisspule induktiv in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele
gekoppelte Spule angeschlossen ist, daß zwischen dem näher erläutert. Es zeigt
Kabel und der anderen Spule mit dieser in Reihe ein 45 F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
weiterer Kondensator liegt und daß die Induktivitäten der Erfindung,
und Kapazitäten beider Reihenschaltungen etwa F i g. 2 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsgleich
sind. beispiels,
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist das F i g. 3 ein Ersatzschaltbild des abgestimmten
Kabel Teil eines abgestimmten Kreises, dessen den 5° Kreises der Erfindung und
Schwingkreis belastende Impedanz so gewählt ist, F i g. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Er-
daß sie in einem Schwingungszustand von der Kabel- findung.
länge unabhängig ist. Die Induktivitäten und Kapa- In F i g. 1 ist ein bekannter Hartley-Schwingungszitäten
werden so ausgewählt, daß sie einerseits die erzeuger 10 gezeigt, der einen Transistor 12, einen
gewünschte Unabhängigkeit von der Kabellänge 55 Schwingkreis 34 zwischen Kollektor und Basis des
ergeben und daß andererseits der abgestimmte Kreis Transistors 12 und.einen Resonanzkreis 16 zwischen
auf die gewünschte Schwingungsfrequenz eingestellt ist. Basis und Emitter des Transistors aufweist. Gemäß der.
Sodann wäre darauf zu achten, daß die Induktivität Erfindung ist ein spezieller abgestimmter Kreis 14
jeder der beiden Spulen derart gewählt ist, daß die elektromagnetisch mit dem Schwingkreis 34 gekoppelt.
Induktivität des Kabels vernachlässigbar klein ist im 60 Solange die abgestimmte Frequenz des Kreises 14
Vergleich mit jeder Änderung der Induktivität der sich von der Schwingungsfrequenz unterscheidet, kann
Fühlerspule, die sich beim Eintreten eines Gegenstandes der Schwingungserzeuger seine Schwingungen aufin
deren Feld einstellt. rechterhalten. Wenn jedoch die abgestimmte Frequenz
Wenn das Verbindungskabel kurz mit Bezug auf die sich ändert und etwa gleich der Schwingungsfrequenz
Wellenlänge des Schwingungsausgangs ist, kann der 65 wird, kommt die Schwingung zum Stillstand. Wenn
Kabelkreis als konzentrierte konstante Schaltung deshalb die gesamte Schaltung so ausgelegt ist, daß bei
aufgefaßt werden. Das Verbindungskabel hat dann eine Abwesenheit eines Gegenstandes im Feld der Fühler-Kapazität
und einen Widerstand. Wegen der Kapazität einheit die abgestimmte Frequenz des Kreises 14
sich von der Schwingungsfrequenz unterscheidet, und wenn sich bei Annäherung eines Gegenstandes an die
Fühlereinheit die abgestimmte Frequenz so ändert, daß sie im wesentlichen gleich der Schwingungsfrequenz wird, hält der Schwingungserzeuger die
Schwingung bei Abwesenheit eines Gegenstandes im Fühlerfeld aufrecht und unterbricht die Schwingung
beim Eintreten eines Gegenstandes in das Feld. Wenn im Gegensatz dazu die Anordnung so getroffen ist,
daß die abgestimmte Frequenz etwa gleich der Schwingungsfrequenz ist, wenn sich kein Gegenstand im
Feld der Fühlereinheit befindet, und wenn beim Eintritt eines Gegenstandes in das Feld die abgestimmte
Frequenz sich gegenüber der Schwingungsfrequenz ändert, dann schwingt der Schwingungserzeuger bei
Abwesenheit eines Gegenstandes in dem Fühlerfeld nicht, beginnt aber seine Schwingung beim Eintritt
des Gegenstandes in das Fühlerfeld. Diese beiden Betriebsarten können als »Schwingungs-Stop« bzw.
»Schwingungs-Start« bezeichnet werden. Bei jedem der beiden Typen wird durch die Änderung des Ausgangszustandes
des Schwingungskreises das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Gegenstandes in dem Feld
der Fühlereinheit festgestellt. In dem veranschaulichten
Ausführungsbeispiel soll es sich um einen »Schwingungs-Start«
handeln.
Es können beliebige Vorrichtungen verwendet werden, um die Änderung des Schwingungserzeugerausgangs
festzustellen. Hier wird der Emitter des Transistors 12 des Schwingungserzeugers über eine
Diode 18 an einen Verstärker 20 angeschlossen. Der verstärkte Ausgang wird an einen wellenformenden
Schmitt-Kreis 22 angelegt und dann an einen zweiten Verstärker 24, der ein Relais 26 steuert. Aus der
Arbeitsweise des Relais wird eine Anzeige über die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Gegenstandes im
Feld der Fühlereinheit gewonnen.
Der Schwingkreis 34 des Schwingungserzeugers 10 besteht aus einer Parallelschaltung einer Spule 30 und
eines Kondensators 32. Der abgestimmte Kreis 14 umfaßt eine Reihenschaltung 40 eines ersten Kondensators
38 und einer ersten Induktionsspule 36, welch letztere elektromagnetisch mit der Spule 30 des
Schwingkreises 34 gekoppelt ist, ferner eine andere Reihenschaltung 46 einer zweiten Induktionsspule 42
und eines zweiten Kondensators 48 sowie einen Abschnitt eines Kabels 48, der die beiden Reihenschaltungen
40 und 46 verbindet. Die zweite Induktionsspule 42 wird als Fühler- oder Aufnahmeinheit
benutzt. Statt dessen kann auch eine Elektrode des zweiten Kondensators 44 für den gleichen Zweck
verwendet werden, wie später noch erläutert wird. Um den störenden Einfluß des Widerstandes des
Kabels 48 auszuschalten, ist ein Widerstand 50 mit der ersten Induktionsspule 36 in Reihe geschaltet.
Dieser Widerstand hat einen größeren Widerstandswert als das Kabel 48.
Wie bereits erwähnt, haben die erste Spule 36 und die zweite Spule 42 den gleichen Induktionswert, und
der erste Kondensator 48 und der zweite Kondensator 44 haben den gleichen Kapazitätswert. Das Verbindungskabel
48 kann eine beliebige Länge haben, sofern sie beträchtlich kurzer ist als die Wellenlänge
des Schwingungsausgangs. Der abgestimmte Kreis 14 ist so ausgelegt, daß die abgestimmte Frequenz im
wesentlichen gleich der Schwingungsfrequenz ist, wenn sich kein Gegenstand im Feld der Fühlerspule 42
befindet.
Es sei angenommen, daß ein Gegenstand das Feld der Fühlerspule erreicht und demzufolge deren
Induktivität abnimmt. Dies führt zu einer Änderung der Impedanz des abgestimmten Kreises, bis die
abgestimmte Frequenz sich von der Schwingungsfrequenz unterscheidet, worauf die Schwingung des
Schwingungserzeugers einsetzt. Diese Änderung des Ausgangszustandes des Schwingungserzeugers wird
durch die Arbeitsweise des Relais 26 festgestellt.
ίο Auch wenn das Kabel 48 eine solche Länge hat, daß
es nicht einen verteilten konstanten Kreis bei Schwingungsfrequenz bildet und die Induktivität und der
Widerstand des Kabels vernachlässigbar sind, kann seine Kapazität nicht unberücksichtigt bleiben. Wenn
jedoch die beiden Spulen 36 und 42 etwa den gleichen Induktivitätswert und die beiden Kondensatoren 38
und 44 etwa den gleichen Kapazitätswert haben, kann die Kapazität des Kabels vernachlässigt werden. Um
dies nachzuweisen, zeigt F i g. 3 eine äquivalente Schaltung des abgestimmten Kreises 14. Hier sind die
Induktivitäten der beiden Spulen 36 und 42 mit L, die Kapazitäten der beiden Kondensatoren 38 und 44
durch C und die Kapazität des Kabels 48 durch C0 angegeben. Die Reihenschaltung der zweiten Induktionsspule
und des Kondensators ist parallel zur Kapazität des Kabels geschaltet, und die Parallelkombination
liegt in Reihe mit der Reihenschaltung der ersten Induktionsspule und dem Kondensator. Eine solche
Schaltung hat zwei Reihenresonanzfrequenzen und eine einzige Parallelresonanzfrequenz.
Um die Reihenresonanzfrequenzen festzulegen, muß zunächst die Impedanz des Kreises berechnet werden.
Für die Bedingung, daß diese Impedanz Null ist, erhält man die beiden Reihenresonanzfrequenzen, die
wie folgt lauten:
/1 =
und/2= I ^-
LC LCn
Da die untere Frequenz fx die Kapazität C0 des
Kabels nicht enthält, ist sie immer nur durch C und L bestimmt. Mit anderen Worten, die Frequenz Z1 wird
nicht durch eine Änderung der Länge des Kabels und demzufolge dessen Kapazität C0 beeinflußt. Somit
kann man durch Einstellen der Schwingungsfrequenz auf die untere Frequenz Z1 das Problem der Kabelkapazität
lösen.
In F i g. 1 wird die Änderung der Induktivität der Fühlerspule 42 benutzt, um die Annäherung eines
Gegenstandes zu bestimmen. Für den gleichen Zweck kann auch eine Kapazitätsänderung benutzt werden.
F i g. 2 zeigt beispielsweise eine Anordnung, bei der der zweite Kondensator 44 mit einem Belag geerdet
ist, während der andere Belag an eine Antenne 60 angeschlossen ist. Die Kapazität der Antenne mit Bezug
auf Erde liegt demnach parallel zum Kondensator 44. Jeder Gegenstand, der zwischen die Antenne und Erde
gelangt, ändert die Kapazität der Antenne und demzufolge die Impedanz des abgestimmten Kreises 14.
Im übrigen ist die Arbeitsweise des Detektors etwa gleich derjenigen der F i g. 1, so daß keine weitere
Beschreibung notwendig ist.
Die vorstehenden Ausführungen basierten auf der Annahme, daß das Verbindungskabel 48 kurz genug
ist, um einen konzentrierten konstanten Kreis darzustellen. Es muß aber auch eine verteilte konstante
Schaltung berücksichtigt werden. In diesem Fall kann man, damit die Impedanz des abgestimmten Kreises 14
10
sich nicht mit einer Änderung der Länge des Verbindungskabels ändert, ein Impedanzelement 51 mit der
Reihenschaltung 46 der zweiten Induktionsspule 42 und des Kondensators 44 (F i g. 4) verbinden, so daß
deren kombinierte Impedanz gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels 48 ist. In diesem Fall
kann der erste Kondensator 38 und der Reihenwiderstand 50 fortfallen.
Claims (3)
1. Annäherungsfühler mit einem einen Schwingkreis aufweisenden Schwingungserzeuger, dessen
Daten sich bei Annäherung eines Gegenstandes an eine Spule oder einen Kondensator eines Fühlerkreises
mit zwei in Reihe geschalteten Spulen derart ändern, daß der Schwingungserzeuger von einem
Schwingungszustand in einen anderen überwechselt, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spule (42) mit dem Kondensator (44) in
Reihe geschaltet und diese Reihenschaltung (46) über ein Kabel (48) an die andere mit der Schwingkreisspule
(30) induktiv gekoppelte Spule (36) angeschlossen ist, daß zwischen dem Kabel (48) und
der anderen Spule (30) mit dieser in Reihe ein weiterer Kondensator (38) liegt und daß die Induktivitäten
und Kapazitäten beider Reihenschaltungen (46, 40) etwa gleich sind.
2. Annäherungsfühler mit einem einen Schwingkreis aufweisenden Schwingungserzeuger, dessen
Daten sich bei Annäherung eines Gegenstandes an eine Spule oder einen Kondensator eines Fühlerkreises
mit zwei in Reihe geschalteten Spulen derart ändern, daß der Schwingungserzeuger von einem
Schwingungszustand in einen anderen überwechselt, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spule (42)
mit einem Kondensator (44) in Reihe geschaltet und diese Reihenschaltung (46) über ein Kabel (48)
an die andere mit der Schwingkreisspule (30) induktiv gekoppelte Spule (36) angeschlossen ist
und daß am Ende des Kabels (48) mit der Reihenschaltung (46) ein Impedanzelement (51) solcher
Größe in Reihe liegt, daß die gemeinsame Impedanz von Reihenschaltung und Impedanzelement etwa
gleich der charakteristischen Impedanz des Kabels (48) ist.
3. Annäherungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem aus den beiden Reihenschaltungen
(46, 40) und dem Kabel (48) gebildeten Stromkreis ein Widerstand (50) mit größerem
Widerstandswert als dem des Kabels (48) liegt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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