DE1907626A1 - Elektronische Annaeherungsmeldeeinrichtung - Google Patents

Description

• Elektronische Annaherungsmelde einrichtung Die Erfindung betrifft eine elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung mit einem stabilisierten Oszillator, der eine Maxwell-Brücke speist, deren Pühlglied eine auf einem offenen magnetischen Kreis angeordnete Induktivität ist und deren durch die Annäherung eines Metallteiles hervorgerufene Fehlabgleichung amplituden- und phasenmäßig durch einen Demodulator erfaßbar ist, welcher ein elektrisches Signal erzeugt, das nach einer Verstärkung einer Nutzlast zuführbar ist.
• Bei dem Gegenstand der Erfindung handelt es sich um einen elektronischen, vollständig statischen und mit Transistoren bestückten Annäherungsinitiator, der eine elektrische Ausgangsleistung liefert, wenn ein aus magnetischem Werkstoff bestehendes weil in die Nähe der Fuhlsefte seines Meß- oder Meldekopfes gelangt. Die Erfindung bezweckt insbesondere, eine Meldeeinrichtung anzugeben, die in der Lage ist, innerhalb eines großen Temperaturbereiches störungsfrei zu arbeiten.
• Eine Meldeeinrichtung der eingangs genannten Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Temperaturkompensation der Induktivität dienender Widerstandszweig aus einem ersten Widerstand, der in der Umgebung der Einrichtung angeordnet ist, und einem zweiten Widerstand, der sich mit der Induktivität im gesonderten Meldekopf befindet, gebildet ist.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in: Figur 1 eine schematische, vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Annäherungsmeldeeinrichtung gemäß der Erfindung; Figur 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Meldekreises der Einrichtung nach Figur 1; Figur 3 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Meldekreises der Einrichtung nach Figur 1; Figur 4 eine elektrische Schaltungsanordnung der für die Meldeeinrichtung gemäß der Erfindung verwendeten- Maxwell-Brücke; Figur 5 den Verlauf einer Kurve, welche die änderungen des Widerstandes R1 der Maxwell-Brücke nach Figur 4 als Funktion der Temperatur widergibt; und Figur 6 die vollständige Schaltungsanordnung einer Annäherungsmeldeeinrichtung gemäß der Erfindung, Wie in Figur 1 dargestellt ist, umfaßt die elektrische Schaltung anordnung ein stabilisiertes ISetzteil F, einen Oszillator, welcher eine Naxwell-Brücke speist und zwischen deren Klemmen A und B geschaltet ist, einen an die Klemmen C und D der Brücke angeschlossenen Demodulator G, einen Vorverstärker H, einen Verstärker K und schließlich eine Nutzlast für die elektrische Ausgangsleistung.
• In Figur 1 ist-mit unterbrochenen Linien ein Gehäuse des gesonderten Neldekopfes T angedeutet, welcher einerseits den zwischen den Klemmen B und D geschalteten magnetischen Fuhl- oder Meldekreis, von welchem zwei verschiedene Ausführungsformen in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, und andererseits einen zwischen der Klemme B und einer weiteren Klemme J liegenden Widerstand R't1 dessen Zweck noch erläutert werden wird, umfaßt.
• Der Meldekopf T ist mit dem übrigen Teil der Maxwell-Brücke über ein Kabel verbunden, dessen Länge keinen Einfluß auf das -Betriebsverhalten der Einrichtung hat. Die Brücke wird durch eine vom Oszillator E gelieferte rechteckförmige -Wechselspannung gespeist.
• Die allgemeine Wirkungsweise sei im folgenden erläutert. Die Werte der Bauelemente der Brücke werden so gewählt, daß die Brücke abgeglichen ist, wenn sich kein magnetisches Teil in der Nähe des Meldekopfes befindet. Bei diesem Gleichgewichtszustand meldet der Demodulator eine mittlere Spannung von annähernd null Volt.
• Bei der Annäherung eines magnetischen Teiles steigt durch eine entsprechende Flußlinienleitung der Selbstinduktionskoeffizient des magnetischen Kreises der Spule des Meldekopfes an, und die Brücke wird hinsichtlich der Amplitude und der Phase fehlabgeglichen. Der Demodulator meldet nun eine positive mittlere Spannung, welche die Ansprechschwelle des -Voerstärkers -übersteigt. Nach der Verstärkung wird die Nutzlast mit elektrischer Leistung gespeist.
• In umgekehrter Weise wird durch die Annäherung eines unmagnetischen Metallteiles der Selbstinduktionskoeffizient der Spule verkleinert und die Brücke gegenphasig fehlabgeglichen. In-diesem-Fall meldet der Demodula6tor-eine-negative{ mittlere Spannung, die jedoch den Vorverstärker nicht berührt und folglich auch keinen Einfluß auf die Nutzlast hat. Wenn das unmagnetische Metallteil einen geringen spezifischen Widerstand besitzt, entstehen Wirbelströme, die dem Flußverlauf entgegen wirken und daher eine magnetische Abschirmung bilden. Infolgedessen bleibt die Näherung des - gesamten Teiles hinter dieser Äbschirmung- ohne Einfluß auf die Meldeeinrichtung.
• Besitzt das unmagnetische Metallteil einen hohen spezifischen Widerstand ( wie es z.B. bei Titan der Fall ist), so können keine Wirbelströme entstehen, Und der von der Spule ausgehende Magnetfluß durchquert das Teil ohne Änderung. Die Dicke dieses Teiles darf jedoch nicht zu groß- -sein. Die- Näherung des gesamten Teiles hinter diesem "transparenten" Best;andteil: wirkt also vom magnetischen Standpunkt aus so auf die Meldeeinrichtung, als wäre dieser Bestamdteil nicht vorhanden.
• Im folgenden sei die Wirkungsweise der Meldeeinrichtung anhand von Figur 6 im einzelnen erläutert.
• Mit der positiven bzw. negativen Klemme einer nicht stabilisierten Gleichstromquelle sind Anschlußleitungen 1 und 2 verbunden, Die Leitung 2 ist der gemeinsame Bezugspol und liegt an Masse. Uber die Leitungen 1 und eine weitere Ausgangsleitung 3 wird die Nutzlast gespeist.
• Das stabilisierte Netzteil F enthält zwei Transistoren 4 und 5, sowie einen Leistungstransistor 6. Die Ausgangsspannung an der Klemme 7 wird mit der einer Zenerdiode 8verglichen, welche--di-e Stabilität der Spannung durch mehr oder weniger starke Aufsteuerung der Transistoren regelt. Die Spannungsänderungen der zwischen den Leitungen 1 und 2 liegenden Eingangsspannung werden durch die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 6 absorbiert.
• Die Oszillatorstufe E enthält einen Kipp- oder Sägezahngenerator mit einer Doppelbasisdiode (Unijunction-Transistor) ( oder einen anderen steuerbaren Siliciumschalter, welcher Impulse an den Ein gang einer mit zwei Transistoren bestückten Flip-Flop-Schaltung liefert, die mit den beiden Wicklungen der-Primärseite eines Transformators 11 mit Mittelanzapfungsausgang belastet sind. Auf der Sekundärseite des Transformators 11-steht zwischen den Klemmen N und P eine rechteckförmige Wechselspannung und zwischen den Klemmen M und P eine zweite Rechteckspannung, welche die doppel-te Amplitude besitzt, jedoch in Phase mit der ersten Rechteckspannung ist, zur Verfügung.
• Ein Transformator 13 hat den Zweck, die bei einer Fehlabgleichung der Brücke zwischen deren Klemmen C und D abgegriffene Information unter Verstärkung in Beziehung zur gemeinsamen Leitung 2 zu bringen. Wenn sich ein magnetisches Teil dem Meldekopf T nähert, macht die zwischen den Klemmen Q und R des Transformators- 13- gewonnene Information den Kollektor des Transistors 12 negativ bezüglich des Emitters, wenn ein Basisstrom fließt, und anderfalls positiv.
• Der Transistor 12 ist leitend, wenn ein- Basisstrom vorhanden ist, und führt einen Strom, welcher den Punkt 14 positiv macht.
• Nähert sich hingegen ein unmagnetisches Metallteil dem Meldekopf 2, so ist auf Grund der zwischen den Klemmen Q und R des Transformators 13 erscheinenden Information der Kollektor des Transistors 12 im Vergleich zum Emitter positiv, wenn ein Basisstrom fließt,undnegativ, wenn er nicht vorhanden ist. Diese umgekehrte Wirkung beruht auf der entgegengesetzten Phasenverschiebung auf Grund der Fehlabgleichung der Brücke.
• Falls der Basisstrom vorhanden ist, fließt im Transistor vom Kollektor zum Emitter ein Strom, durch welchen der PuS.t 14 negativ wird.
• Dieser -Punkt :14 liegt im Basiskreis eines Transistors 15 und ist die Eingangsklemme des Vorverstärkers H. Der Transistor 15 verstärkt nur die-positiven Spannungsänderungen am Punkt 14.
• Zwei weitere Transistoren 16 und 17, die als Schmitt-Trigger geschaltet sind, formen die kontinuierliche Spannungsänderung am Ausgang des-Transistors 15in eine stufenförmige Spannung am Ausgang des Transistors 17 um. Diese Spannungsstufe wird an einen herkömmlichen Verstärker K angelegt, welcher die Nutzlast L, die beispielsweise ein Relais sein kann, speist0 Der Annäherungsinitiator gemäß der Erfindung soll in einer Umgebung verwendbar sein, deren Temperatur zwischen -40 und +650 C schwanken kann. Nur der Geber- oder Meldekopf, der sich in einer (beliebigen) Entfernung von der übrigen, statischen Einrichtung befindet, soll innerhalb eines größeren Umgebungstemperaturbereiches betriebsfähig sein, z0B. von -80 bis +5000 C. Es ist also erforderlich, für die Brücke eine Temperaturkompensation vorzusehene Bei einer solchen-Brücke ist es bekannt, die beiden Zweige AC und AD einerseits und die beiden Zweige BC und BD andererseits unabhängig voneinander zu kompensieren. Durch eine richtige Wahl der Temperaturkoeffizienten der Kapazität und der Widerstände ist die erzielbare Kompensation zwar nicht vollkommen, aber sehr wirksam.
• Bei der Betrachtung des Widerstandes R1 muß man zwei Gesichtspunkte des Kompensationsproblems berücksichtigen. Einerseits muß dieser Widerstand, der dazu bestimmt ist, die Widerstandsänderungen der Spule zu kompensieren, -zwischen -80 und +5000 C arbeiten können; andererseits muß er so dimensioniert sein, daß seine eigene Verlustsleistung keinen Einfluß auf seine.Temperatur hat (dies ist besonders dann hinderlich, wenn man eine Miniaturisierung des Meldkopies anstrebt). Zur Behebung der durch diese Erfordernisse bedingten Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß der Widerstand R1 in zwei Teile aufgetrennt,wie insbesondere in Figur 4 dargestellt ist, und zwar in einen Widerstand R1 , dessen Tempera-turkoeffizient null beträgt, und in einen Widerstand R1§, welcher der Betriebstemperatur des Meldekopfes zu widerstehen vermag, einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt, der im Bereich der zu erwartenden Temperaturen fast konstant ist und der beispielsweise aus Platin bestehen kann.
• Die graphische Darstellung der Figur 5 dient zur weiteren Erläuterung der Wahl und Bestimmung- des.-Widerstandes R1'. In Abahängigkeit von der Temperatur ändert sich der Gesamtwiderstand R1 nach folgendem Gesetz: R1 = R°1 (1 +α#) (1) In dieser Gleichung bedeuten R1 den Widerstandswert bei einer Temperatur von Go C, PO den Widerstand- bei 0° C, # die Temperatur in oC und α den als konstant angenommenen Temperaturkoeffizienten, der zur Gewährleistung der Kompensation der Brücke benötigt wird.
• Wenn man den Widerstand R1 gemäß der obigen Erläuterungen in zwei Teile trennt, so ergibt sich: R1 = R1' + R1''1 (1 + ß#) In dieser Gleichung bedeuten R'1 den konstanten Wert des Widerstandes mit dem Temperaturkoeffizienten null, R1'' den Wert des zweiten Widerstandes des Brückenzweiges CB bei 0° C und B den positiven und quasi-konstanten Temperaturkoeffizienten dieses zweiten Widerstandes.
• Beachtet man, daß bei 0O C R1'' = R°1 - R1' gilt, so erhält man: R1 = R1' + (R01 1 R '1) (1 + ß e) (2) Setzt man die beiden Beziehungen für R1 der Gleichungen (1) und (2) gleich, eo ergibt sich: R'1 - R01 (1 - α / ß) (3) Die einzige notwendige Bedingung ist, daß ß > α Man sieht also, daß man einen durch die Gleichung (3) definierten Widerstand R'1 wählen kann, welcher genau den gesuchten Widerstand R01 ergibt, wenn er in Reihe mit dem Widerstand R' ''1 geschaltet ist, der so groß ist, daß bei Oo C die Bedingung R "1 1 R01 - R'1 erfüllt ist. Den positiven und im Bereich-der zu erwartenden Temperaturen quasi-konstanten Temperaturkoeffizienten des Widerstandes R1 erhält man durch entsprechende Auswahl des Metalles des Widerstandes R1''.
• Diese Aufteilung des Widerstandes zwischen die statische Einrichtung und den Meldekopf beseitigt die Schwierigkeit, die durch den Raumbedarf des Widerstandes entstanden war. Der Widerstand R "1 kann genügend groß dimensioniert sein, sodaß das Problem der Abführung der Joileschen Verlustwärme verringert wird.
• Es sei ferner darauf hingewiesen, daß durch die dreiadrige Verbindung zwischen dem Meldekopf und den übrigen Bestandteilen der Brücke eine automatische Kompensation der Änderung des Widerstandes dieser drei Adern gewährleistet.
• Der oben beschriebene Annäherungsinitiator ist eine elektronische, rein statische Einheit mit einem Meldekopf, der sehr weit~entfernt sein kann. Die Meldeeinrichtung ermöglicht die Unterscheidung von Materialien, deren Annäherung festgestellt wird. Schon ein einziges magnetisches Teil löst einen Schaltvorgang aus. Andererseits ist ein unmagnetisches Teil, wenn es einen hohen elektrischen spezifischen Widerstand - besitzt, fur die Meldeeinrichtung praktisch transparent, während es im umgekehrten Fall eine Abschirmung bildet, welche die Meldeeinrichtung abdeckt und jede Betätigung des Nutzlastgliedes verhindert.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung mit einem stabilisierten Oszillator, der eine Maxwell-Brücke speist deren Fühlglied eine auf einem offenen magnetischen Kreis -angeordnete Induktivität ist und deren durch die Annäherung eines Metallteiles hervorgerufene Fehlabgleichung -ampll tuden- und phasenmäßig durch einen Demodulator-erfaßbar-ist9 welcher ein elektrisches Signal erzeugt, das nach einer Ver stärkung einer Nutzlast zuführbar ist , dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Temperaturkompensation der Induktivität dienender Widerstandszweig der Brücke aus einem ersten Widerstand (R1') , der in der Umgebung der Einrichtung angeordnet ist, und einem zweiten Widerstand (R1''), der-sich mit der Induktivität im gesonderten Meldekopf (T) befindet, gebildet ist.

2. Meldeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Widerstand (R'1) einen Temperaturkoeffizienten von null besitzt.

30 Meldeeinrichung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R '1) einen positiven, quasikonstanten Temperaturkoeffizienten besitzt.

4. Meldeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Werte der beiden Widerstände (R1', R1'') in Abhängigkeit vom Gesamtwiderstand des Brückenzweiges, in welchem sie sich befinden und vom -Temperaturkoeffizienten des zweiten Widerstandes (R '1) derart gewählt sind, daß durch Aufhebung des Einflusses der Temperaturdifferenz, die zwischen der Umgebung der Einrichtung selbst und dem Meldekopf (T) besteht, eine Kompensation der Brücke gewährleistet ist.

5. Meldeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die- Einrichtung vollständig statisch und mit Transistoren bestückt ist.

6. Meldeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R''1) aus -hitzebeständigen Werkstoffen besteht.

7. Meldeeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R''1) aus Platin, das auf einen Glasträger aufgebracht ist, gebildet ist.

8. Meldeeinrichtung nach einem der vorangehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrischen Verbindung zwischen dem Meldekopf (T) und der restlichen Einrichtung eine dreiadrige Verbindungsleitung dient, welche eine automatische Kompensation der Änderung des Widerstandes der Leitungsadern gewährleistet.

9. Meldeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung nur dann an eine Nutzlast (L) ein elektrisches Signal liefert, wenn sich dem Meldekopf (afp) ein magnetisches Metallteil nähert.