DE1548168B2

DE1548168B2 - Annaeherungsfuehler

Info

Publication number: DE1548168B2
Application number: DE19661548168
Authority: DE
Inventors: Takesi Oyagi Masayuki Kyoto Miyagawa (Japan)
Original assignee: Tateist Electronics Co , Kyoto (Ja pan)
Priority date: 1965-11-23
Filing date: 1966-11-19
Publication date: 1971-07-29
Also published as: DE1548168A1; GB1118235A; US3504236A; FR1501359A

Description

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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 LC_n

Da die untere Frequenz f_x 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

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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

Patentansprüche:

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