DE1907626C3 - Elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art. Bei dieser aus der FR-PS 60 069 bekannten Einrichtung wird ein Fehlabgleich einer mit einem Oszillator betriebenen Maxwell-Wien-Brücke durch Annähern eines Metallteils an eine Induktivität in dieser Brücke hervorgerufen. Dieser Fehlabgleich der Brücke wird dann dazu ausgenützt, die Annäherung eines Metallteils zu ermitteln. In einem Brückenzweig ist ein Schaltungsbauelement zur Kompensation von Temperaturschwankungen vorgesehen. Bei der bekannten Schaltungsanordnung ist die Kompensation von Temperatureinflüssen in einem Temperaturbereich von —20 bis +70⁰C angestrebt. Die Temperatui kompensation wird mit einer Spule mit zwei Wicklungen vorgenommen, wobei sich in dieser Spule die Selbstinduktivität aufhebt und die gesamte Spule einen ohmschen Widerstand aufweist, der gleich dem ohmschen Widerstand der Sondenspule ist. Sowohl die Sondenspule als auch die zur Temperaturkompensation vorgesehene, in einem anderen Brückenzweig liegende Kompensationsspule befinden sich im Meldekopf, so daß beide Spulen und insbesondere auch beide Wicklungen der Kompensationsspule der gleichen Temperatur ausgesetzt sind. Mit dieser Schaltungsanordnung ist es jedoch nur möglich, die üblichen jahreszeitlichen bzw. tageszeitlichen Temperaturschwankungen, nämlich Temperaturen in einem Temperaturbereich von etwa —20° bis +70⁰C zu kompensieren. Diese Schaltungsanordnung ist weder dafür vorgesehen noch geeignet, Temperaturunterschiede über einen sehr großen Temperaturbereich, etwa zwischen —40 und + 500⁰C zu kompensieren. Darüberhinaus ist der Meldekopf bei der bekannten Annäherungsmeldeeinrichtung und damit der im Meldekopf enthaltene Teil der Brücke keiner anderen Temperatur ausgesetzt als der übrige Brückenteil im Gerät auch. Da

ίο keine sehr großen Temperaturunterschiede auftreten und an die Miniaturisierung des Meldekopfes keine hohen Anforderungen gestellt werden, ist es bei der bekannten Schaltungsanordnung auch vernachlässigbar, wenn sich die Temperatur des Kompensations-Schal- ί tungsbauteils durch eine eigene Verlustleistung zusätzlich ändert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung zu schaffen, mit der Temperaturen über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg kompensiert werden können, bei der der Meldeicopf mit einem Teil der Brücke auf einer gegenüber der Temperatur des übrigen Brückenteils stark unterschiedlichen Temperatur liegen kann, und bei der der Meldekopf auch sehr klein

?i ausgeführt werden kann, ohne daß dadurch die Temperaturkompensation beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

ι» Durch die Aufteilung der für die Temperaturkompensation vorgesehenen Schaltungsanordnung in zwei Widerstände ist es möglich, auch über einen großen Temperaturbereich hinweg eine Temperaturkompensation durchzuführen, und zwar auch dann, wenn der

r> Meldekopf einer erheblich höheren Temperatur ausgesetzt ist als der übrige Brückenteil. Durch die Aufteilung des für die Temperaturkompensation vorgesehenen Widerstandes in zwei Widerstände ist es im Hinblick auf die Miniaturisierung des Meldekopfes auch möglich, die

■to mit der Abführung der jouleschen Verlustwärme zusammenhängenden Probleme zu lösen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

Fig. I eine schematische, vereinfachte Darstellung

ti eines Ausführungsbeispiels einer Annäherungsmeldeeinrichtung gemäß der Erfindung,

Fig.2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Meldekreises der Einrichtung nach Fig. I.

"><i F i g. 3 eine Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform des Meldekreises der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig.4 eine elektrische Schaltungsanordnung der für die Meldeeinrichtung gemäß der Erfindung verwende-

« ten Maxwell-Brücke,

F i g. 5 den Verlauf einer Kurve, welche die Änderungen des Widerstandes R\ der Maxwell-Brücke nach F i g. 4 als Funktion der Temperatür wiedergibt, und
F i g. 6 die vollständige Schaltungsanordnung einer

w) Annäherungsmeldeeinrichtung gemäß der Erfindung.

Wie in Fig. I dargestellt ist, umfaßt die elektrische Schaltungsanordnung ein stabilisiertes Netzteil F, einen Oszillator E, welcher eine Maxwell-Brücke speist und zwischen deren Klemmen A und B geschaltet ist, einen

·>■> an die Klemmen Cund Oder Brücke angeschlossenen , .'^modulator C, einen Vorverstärker H, einen Verstärker K und schließlich eine Nutzlast für die elektrische Ausgangsleistung.

In F i g. 1 ist mit unterbrochenen Linien ein Gehäuse des gesonderten Meldekopfes T angedeutet welcher einerseits den zwischen den Klemmen B und D geschalteten magnetischen Fühl- oder Meidekreis, von welchem zwei verschiedene Ausführungsformen in den Fig.2 und 3 dargestellt sind, und andererseits einen zwischen der Klemme B und einer weiteren Klemme J liegenden Widerstand R'\, dessen Zweck noch erläutert werden wird, umfaßt

Der Meijckopf 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 ι

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 Gleichgewichtszu- ->i stand 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 r, 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 Vorverstärkers übersteigt. Nach der Verstärkung wi-d «ι die Nutzlast mit elektrischer Leistung gespeist.

In umgekehrter Weise wird durch die Annäherung eines unmagnetischen Metallteiles der Selbstinduktioaskoeffizient der Spule verkleinert und die Brücke gegenphasig fehlabgeglichen. In diesem Fall meldet der π Demodulator 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 w Flußverlauf entgegen wirken und daher eine magnetische Abschirmung bilden. Infolgedessen bleibt die Näherung des gesamten Teiles hinter dieser Abschirmung ohne Einfluß auf die Meldeeinrichtung.

Besitzt das unmagnetische Metallteil einen hohen v, 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 ">o hinter diesem »transparenten« Bestandteil wirkt also vom magnetischen Standpunkt aus so auf die Meldeeinrichtung, als wäre dieser Bestandteil nicht vorhanden.

Im folgenden sei die Wirkungsweise der Meideeinrichtung anhand von F i g. 6 im einzelnen erläutert. v>

Mit der positiven bzw. negativen Klemme einer nicht stabilisierten Gleichstromquelle sind Anschlußleitungen und 2 verbunden. Die Leitung 2 ist der gemeinsame Bezugspol und liegt an Masse. Das Ausgangssignal wird einer Nutzlast L zugeführt mi

Das stabilisierte Netzteil F -mhäli zwei Transistoren und 5, sowie einen Leistungstransistor 6. Die Ausgangsspannung an der Klemme 7 wird mit der einen Zenerdiode 8 verglichen, welche die Stabilität der Spannung durch mehr oder weniger starke Aufsteue- <" rung der Transistoren regelt. Die Spannungsänderungen der zwischen den Leitungen 1 und 2 liegenden Eingangsspanni-ng werden durch die Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors 6 absorbiert

Die Oszillatorstufe E enthält einen Kipp- oder Sägezahngenerator mit einer Doppelbasisdiode (Unijunction-Transistor) 10 oder einen anderen steuerbaren Siliciumschalter, welcher Impulse an den Eingang einer mit zwei Transistoren bestückten Flip-Flop-Schaltung liefert die mit den beiden Wicklungen der Primärseite eines Transformators U mit Mittelanzapfungsausgang belastet sind Auf der Sekundärseite des Transformators 11 steht zwischen den Klemmen Λ' und P eine rechteckförmige Wechselspannung und zwischen den Klemmen M und P eine zweite Rechteckspannung, welche die doppelte 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 Cund D abgegriffene Information unter Verstärkung in Beziehung zur gemeinsamen Leitung 2 zu bringen. Wenn sich ein magnetisches Teil dem Meldekopf T nähert, macht di> zwischen den Klemmen Q und R des Transformators 13 gewonnene Information den Kollektor des Transistors 12 negativ bezüglich des Emitters, wenn ein Bassistrcm fließt und andernfalls positiv. Der Transistor 12 ist leitend, wenn ein Basisstrom vorhanden ist, und führt einen Si'rom, welcher den Punkt 14 positiv macht.

Nähert sich hingegen ein unmagnetisches Metallteil dem Meldekopf T, 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, und negativ, 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 Punkt 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 15 in 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, speist.

Der Annäherungsinitiator gemäß der Erfindung soll in einer Umgebung verwendbar sein, deren Temperatur zwischen -40 und +65⁰C schwanken kann. Nur der Geber- oder Meldekopf, der sich in einer (beliebigen) Entfernung von der übrigen, statischen Einrichtung befinde·, soll innerhalb eines größeren Umgebungstemperaturbereiches betriebsfähig sein, z.B. von -80 bis + 500⁰C. Es ist also erforderlich, für die Brücke eine Temperaturkompensation vorzusehen. 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 /?, muß man zwei Gesichtspunkte des Kompensationsproblems berücksichtigen. Einerseits muß dieser Widerstand, der

dazu bestimmt ist, die Widerstandsänderungen der Spule zu kompensieren, zwischen -80 und +500⁰C arbeiten können: andererseits muß er so dimensioniert sein, daß seine eigene Verlustleistung keinen Einfluß auf seine Temperatur hat (dies ist besonders dann hinderlich, wenn man eine Miniaturisierung des Meldekopfes .instrebt). Zur Behebung der durch diese Erfordernisse bedingten Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß der Widerstand R₁ in zwei Teile aufgetrennt, wie insbesondere in Fig.4 dargestellt ist, und zwar in einen Widerstand R'i, dessen Temperaturkoeffizient Null beträgt, und in einen Widerstand R'\, welche 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 Fig.5 dient zur weiteren Erläuterung der Wahl und Bestimmung des Widerstandes R\. In Abhängigkeit von der Temperatur ändert sich der Gesamtwiderstand R₁ nach folgendem Gesetz:

In dieser Gleichung bedeuten Ri den Widerstandswert bei einer Temperatur von 0°C, R°, den Widerstand bei 0⁰C, θ die Temperatur in °C und α den als konstant angenommenen Temperaturkoeffizienten, der zur Gewährleistung der Kompensation der Brücke benötigt wird.

Wenn man den Widerstand R, gemäß der obigen Erläuterungen in zwei Teile trennt, so ergibt sich:

R, = R₁' + R₁" (I +//«)

In dieser Gleichung bedeuten R'i den konstanten Wert des Widerstandes mit dem Temperaturkoeffizienten Null. R"i den Wert des zweiten Widerstandes des Brückenzweiges CB bei 0⁰C und β den positiven und konstanten Temperaturkoeffizienten dieses zweiten Widerstandes.
Beachtet man, daß bei 0⁰C

Ri-R₁- R₁'
pill, so erhall man:

R₁ = R₁' + (R₁ -R₁') (I 4 ,IH) (2)

Setzt man die beiden Beziehungen für R, der Gleichungen (1) und (2) gleich, so ergibt sich:

Die einzige notwendige Bedingung ist,daß/?>iv
Man sieht also, daß man einen durch die Gleichung (3) definierten Widerstand R'i wählen kann, welcher genau

.'(i den gesuchten Widerstand R°i ergibt, wenn er in Reihe mit dem Widerstand R" geschaltet ist, der so groß ist. daß bei 0⁰C die Bedingung R"i = R°i-R', erfüllt ist. Den positiven und im Bereich der zu erwartenden Temperaturen konstanten Temperaturkoeffizienten des

>-> Widerstandes Ri erhält man durch entsprechende Auswahl des Metalles des Widerstandes R",.

Diese Aufteilung des Widerstandes zwischen die stationäre Einrichtung und den Meldekopf beseitigt die Schwierigkeit, die durch den Raumbedarf des Wider-

)o Standes entstanden war. Der Widerstand R"! kann genügend groß dimensioniert sein, so daß das Problem der Abführung der Joule; chen Verlustwärme verringert wird.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß durch die

r> dreiadrige Verbindung zwischen dem Meldekopf und den übrigen Bestandteilen der Brücke eine automatische Kompensation der Änderung des Widerstandes dieser drei Adern gewährleistet ist.

Hierzu 2 BIaU Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektronische Annäherungsmeldeeinrichtung mit einem stabilisierten Oszillator, der eine Maxwell-Wien-Brücke speist, deren Fühlglied, welches sich in einem gesonderten Meldekopf befindet, eine in einem offenen magnetischen Kreis angeordnete Induktivität ist, und deren durch die Annäherung eines Metallteiles hervorgerufenen Fehlabgleichung amplituden- und phasenmäßig durch einen Demodulator erfaßbar ist, welcher ein elektrisches Signal erzeugt, das nach einer Verstärkung einer Auswerteschaltung zuführbar ist, wobei ein Brückenzweig eine Schaltungsanordnung mit einem Temperaturkoeffizienten λ zur Temperaturkompensation der ohmschen Komponente der Induktivität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung aus einem einen Temperaturkoeffizienten von Null besitzenden ersten Widerstand (R']), der im stationären Teil der Annäherungsmeldeeinrichtung angeordnet ist und einem einen positiven konstanten Temperaturkoeffizienten β besitzenden, zweiten Widerstand (R"\), der sich zusammen mit der Induktivität im gesonderten Meldekopf (T) befindet, gebildet ist, und daß der erste Widerstand (R\) so gewählt ist, daß R\ = R°\ (1—α//?), wobei R°Ί den Widerstand des gesamten Brückenzweiges bei 0⁰C bedeutet.

2. Meldeeinrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R"]) aus hitzebeständigem Werkstoff besteht.

3. Meldeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R"]) aus Platin, das auf einen Glasträger aufgebracht ist, gebildet ist.