DE19627083A1 - Reflexionslichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflexionslichtschranke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Reflexionslichtschranke ist aus der DE 42 21 726 C1 bekannt. Die Reflexionslichtschranke weist einen Sender und einen Empfänger auf, welche in einem Gehäuse untergebracht sind. Das Gehäuse und der Reflektor der Reflexionslichtschranke sind an gegenüberliegenden Enden des zu über­ wachenden Bereichs so angeordnet, daß bei freiem Strahlengang die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen auf den Reflektor treffen und von dort zum Empfänger zurückreflektiert werden. Die am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale werden mit einem Schwellwert verglichen. Da vom Reflektor ein großer Anteil des Sendelichts auf den Empfänger zurück­ reflektiert wird, liegt der Pegel des Empfangssignals oberhalb des Schwellwerts. Befindet sich ein diffus reflektierendes Objekt im Strahlengang, so gelangt eine geringere Lichtmenge zum Empfänger, so daß der Pegel des Empfangssignals unterhalb des Schwellwerts liegt. Auf diese Weise können mit der Reflexions­ lichtschranke im Überwachungsbereich befindliche diffus reflektierende Objekte sicher erkannt werden. Durch den Einsatz von polarisierenden Mitteln, welche dem Sender nachgeordnet und dem Empfänger vorgeordnet werden, können auch glänzende Objekte mit der Reflexionslichtschranke erfaßt werden.

Problematisch ist jedoch die Erkennung von transparenten Objekten, wie zum Beispiel Klarglas. In diesem Fall wird das Sendelicht der Reflexionslichtschran­ ke durch das Objekt kaum geschwächt, so daß der Signalunterschied bei freiem Strahlengang und bei Objekteingriff sehr gering ist. Die Detektion derartiger Objekte wird noch weiter erschwert, wenn diese als aus Klarglas bestehende Flaschen ausgebildet sind. Infolge der Wölbung der Flaschen wird für unter­ schiedliche Auftreffwinkel des Sendelichts auf die Flasche eine unterschiedliche Schwächung des Sendelichts erhalten. Bei bestimmten Auftreffwinkeln kann der Flaschenkörper sogar fokussierend wirken, so daß verstärkt Sendelicht auf den Empfänger gelangt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Reflexionslichtschranke der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch transparente, insbesondere aus Klarglas bestehende Objekte, sicher erkannt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers mit zwei verschiedenen Schwellwerten bewertet. Der erste Schwellwert entspricht einer Schaltschwelle analog zu bekannten Reflexionslichtschranken.

Bei freiem Strahlengang liegt das Empfangssignal oberhalb des ersten Schwell­ wertes. Befindet sich ein Objekt im Überwachungsbereich, welches den Strah­ lengang der Sendelichtstrahlen unterbricht, so daß nur noch eine im Vergleich zum freien Strahlengang geringere Lichtmenge auf den Empfänger auftrifft, so liegt das Empfangssignal unterhalb des ersten Schwellwerts.

Dabei ist die Höhe des Schwellwerts so gewählt, daß bereits eine geringe objektbedingte Abschwächung der auf den Empfänger auftreffenden Sendelicht­ strahlen dazu führt, daß das Empfangssignal unter den ersten Schwellwert absinkt und damit zu einer Objektmeldung führt. Dadurch ist gewährleistet, daß auch transparente Objekte, insbesondere Klasglasprodukte wie zum Beispiel Flaschen, erkannt werden können.

Der zweite Schwellwert liegt oberhalb des ersten Schwellwerts. Dabei ist der Abstand des ersten zum zweiten Schwellwert so gewählt, daß das Empfangs­ signal dann oberhalb des zweiten Schwellwerts liegt, falls im Strahlengang ein transparentes Objekt so angeordnet ist, daß dieses die Sendelichtstrahlen auf den Empfänger fokussiert. In diesem Fall werden die auf den Empfänger auftreffen­ den Sendelichtstrahlen gegenüber einem freien Strahlengang durch den Objekt eingriff nicht geschwächt sondern verstärkt. Die auf den Empfänger auftreffende Lichtmenge ist dann signifikant größer als die bei freiem Strahlengang.

Dieser Fall tritt insbesondere dann auf, wenn die Objekte von Klarglasprodukten oder von Gegenständen aus transparentem Kunststoff gebildet sind. Weisen die Oberflächen dieser Objekte Krümmungen auf, so können diese fokussierend wirken. Ein Beispiel hierfür ist die Überwachung von Leergut mittels Refle­ xionslichtschranken. Dort werden vorzugsweise aus Klarglas bestehende Fla­ schen auf einem Transportband bewegt und dabei durch den Überwachungs­ bereich geführt. Bei bestimmten Auftreffwinkeln werden die Sendelichtstrahlen durch die Flaschen auf den Empfänger fokussiert.

Eine derartig erhöhte Lichtmenge am Empfänger kann zudem auch durch Störeinflüsse wie zum Beispiel Fremdlichteinstrahlungen hervorgerufen werden.

Die Bewertung der Empfangssignale erfolgt derart, daß bei freiem Strahlengang das Empfangssignal zwischen den beiden Schwellwerten liegt. Liegt das Emp­ fangssignal unterhalb des ersten Schwellwerts, so erfolgt eine Objektmeldung.

Liegt das Empfangssignal oberhalb des zweiten Schwellwerts, so liegt kein freier Strahlengang vor. Im einfachsten Fall kann in diesem Fall ebenfalls eine Objektmeldung erfolgen. Alternativ kann das Empfangssignal für die weitere Auswertung verworfen werden, falls dieses oberhalb des zweiten Schwellwerts liegt. In diesem Fall werden diese Empfangssignale als Störmeldungen inter­ pretiert.

In jedem Fall können diese Empfangssignale von Empfangssignalen bei freiem Strahlengang sicher unterschieden werden, wodurch die Detektionssicherheit der Reflexionslichtschranke beträchtlich erhöht wird.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Reflexionslichtschranke.

Fig. 2 Verlauf des Empfangssignals bei Durchtritt verschiedener Klar­ glasobjekte durch den Überwachungsbereich.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Reflexionslicht­ schranke 1 dargestellt. Die Reflexionslichtschranke 1 weist einen Sender 2 und einen Empfänger 3 auf, welche in einem gemeinsamen Gehäuse 4 integriert sind. Der Sender 2 ist vorzugsweise von einer Leuchtdiode gebildet. Der Emp­ fänger 3 kann von einer Photodiode gebildet sein.

Die vom Sender 2 emittierten Sendelichtstrahlen 5 sowie die auf den Empfänger 3 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 6 sind über einen Strahlteilerspiegel 7 geführt. Die Ebene des Strahlteilerspiegels 7 ist in einem Winkel von 45° zu den optischen Achsen der Sende- 5 und Empfangslichtstrahlen 6 angeordnet. Die vom Sender 2 emittierten Sendelichtstrahlen 5 durchdringen den Strahl­ teilerspiegel 7 und werden von einer in der Gehäusewand angeordneten Linse 8 fokussiert. Die auftreffenden Empfangslichtstrahlen 6 werden von derselben Linse 8 fokussiert und am Strahlteilerspiegel 7 so reflektiert, daß sie auf den Empfänger 3 treffen.

Die am Ausgang des Empfängers 3 anstehenden analogen Empfangssignale werden in einem Empfangsverstärker 9 verstärkt und in einem dem Empfangs­ verstärker 9 nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 10 digitalisiert. Die Wortbreite des Analog-Digital-Wandlers 10 beträgt vorzugsweise 8 bit.

Die digitalisierten Empfangssignale werden in eine Rechnereinheit 11 eingelesen und dort ausgewertet. Die Rechnereinheit 11 besteht vorzugsweise aus einem Microcontroller. Der Sender 2 ist ebenfalls an die Rechnereinheit 11 ange­ schlossen. Auf diese Weise ist die Sendeleistung durch die Rechnereinheit 11 vorgebbar. Die Bewertung der Empfangssignale erfolgt durch Schwellwerte, die durch die Rechnereinheit 11 vorgegeben werden.

Alternativ können die Schwellwerte durch Komparatoren erzeugt werden. In diesem Fall werden die am Ausgang des Empfangsverstärkers 9 anstehenden analogen Empfangssignale mit den von den Komparatoren erzeugten Schwell­ werten bewertet. Die an den Ausgängen der Komparatoren anstehenden Signale werden zur Auswertung in die Rechnereinheit 11 eingelesen.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform sind die einzelnen Schwellwerte einstellbar. Im ersten Ausführungsbeispiel sind die Schwellwerte direkt durch die Rechnereinheit 11 einstellbar. Im zweiten Ausführungsbeispiel können die Schwellwerte durch Variation der an den Komparatoren anliegenden Ver­ gleichsspannungen geändert werden, wobei die Steuerung wiederum zentral über die Rechnereinheit 11 erfolgen kann.

Die Reflexionslichtschranke 1 dient zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich. An den gegenüberliegenden Enden des Überwachungs­ bereichs sind das Gehäuse 4 der Reflexionslichtschranke 1 sowie ein Reflektor 12 angeordnet. Der Reflektor 12 ist vorzugsweise von einem Retroreflektor gebildet. Durch den Strahlteilerspiegel 7 sind die Sende- 5 und Empfangslicht­ strahlen 6 innerhalb des Überwachungsbereichs koaxial geführt.

Zum Nachweis der Objekte im Überwachungsbereich wird das digitalisierte Empfangssignal in der Rechnereinheit 11 mit zwei Schwellwerten S₁, S₂ bewer­ tet. Der erste Schwellwert S₁ liegt unterhalb des zweiten Schwellwerts S₂. Liegt ein freier Strahlengang vor, so gelangt das vom Reflektor 12 reflektierte Emp­ fangslicht ungehindert zum Empfänger 3. In diesem Fall liegt das Empfangs­ signal oberhalb des ersten Schwellwerts S₁. Ist ein diffus reflektierendes Objekt im Strahlengang angeordnet, so wird der Strahlengang zwischen Sender 2 und Reflektor 12 durch diesen Objekteingriff unterbrochen. Vom Objekt wird nur ein kleiner Teil des Sendelichts auf den Empfänger 3 reflektiert, so daß das Empfangssignal unterhalb des ersten Schwellwerts S₁ liegt.

Während diffus reflektierende Objekte bereits mittels eines Schwellwerts S₁ sicher detektiert werden können, ist zum Nachweis von transparenten Objekten, die insbesondere aus Klarglas bestehen können, ein weiterer Schwellwert S₂ vorgesehen.

Ein derartiger Anwendungsfall ist in Fig. 2 dargestellt. Dort werden verschie­ dene Klarglasflaschen quer zur Strahlachse der Sende- 5 und Empfangslicht­ strahlen 6 durch den Überwachungsbereich bewegt. In Fig. 2 ist für verschie­ dene Flaschentypen A, B, C, D der Verlauf des Empfangssignals in Abhängig­ keit der Objektposition dargestellt.

Das dargestellte digitalisierte Empfangssignal umfaßt den gesamten Dynamik­ bereich des Empfangsverstärkers. Die Bewertung des Empfangssignals erfolgt mit dem ersten und zweiten Schwellwert S₁, S₂, wobei der erste Schwellwert in einen ersten oberen und einen ersten unteren Schwellwert S_1O, S_1U aufspaltet. Der Bereich zwischen den Schwellwerten S_1O und S_1U bildet die Schalthysterese. Ist das Empfangssignal unterhalb des Schwellwerts S_1U, so befindet sich ein den Strahlengang der Sendelichtstrahlen unterbrechendes Objekt im Überwachungs­ bereich. Sobald das Empfangssignal den Schwellwert S_1O überschreitet, ist der Strahlengang frei.

Die in Fig. 2 dargestellten Empfangssignalverläufe für unterschiedliche Fla­ schentypen, welche durch den Überwachungsbereich geführt werden, weisen jeweils dieselbe Charakteristik auf. Am linken Rand der Graphik liegen die Empfangssignale jeweils knapp oberhalb des Schwellwerts S_1O. Zu diesem Zeit­ punkt ist der Strahlengang der Reflexionslichtschranke 1 noch frei, die Flasche befindet sich noch außerhalb des Überwachungsbereichs. Sobald die Flasche von den Sendelichtstrahlen 5 erfaßt wird, sinkt das Empfangssignal stark ab und liegt deutlich unterhalb des Schwellwerts S_1U. Der Grund hierfür liegt darin, daß im Randbereich der Flasche das Sendelicht eine dicke Glasschicht durchdringen muß. Danach steigt das Empfangssignal wieder an, da das Sendelicht in diesem Bereich die Flasche ohne große Verluste durchdringt. Das Ansteigen des Emp­ fangssignals in diesem Bereich ist für die unterschiedlichen Flaschentypen stark unterschiedlich ausgeprägt. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Flaschen unterschiedliche Wanddicken, Geometrien und leichte Farbtönungen aufweisen können. Am rechten Rand des Schaubilds werden die Empfangssignale zunächst wieder kleiner, da die Sendelichtstrahlen 5 wiederum auf den Randbereich der Flasche treffen. Danach steigen die Empfangssignale wieder an und liegen schließlich wieder oberhalb des Schwellwerts S_1O, wenn die Sendelichtstrahlen 5 nicht mehr auf die Flaschen treffen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird der erste Schwellwert S₁ auf das Signal bei freiem Strahlengang abgeglichen. Dies bedeutet, daß der Schwellwert S_1O so gewählt wird, daß bei freiem Strahlengang der Empfangssignalpegel unmittelbar oberhalb von S_1O liegt. Vorteilhaft hierbei ist, daß in diesem Fall kein individueller Abgleich des Schwellwerts S₁ für unterschiedliche Flaschen­ typen notwendig ist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liegen in diesem Fall die Empfangssignale sämtlicher Flaschentypen nahezu vollständig unterhalb des Schwellwerts S_1U, so daß mit dieser Schwellwerteinstellung sämtliche Flaschen­ typen detektierbar sind.

Jedoch ist diese Einstellung empfindlich gegen äußere Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel der Verschmutzung der im Gehäuse 4 angeordneten Linse 8 oder einer Dejustage der Reflektors 12. Somit kann in bestimmten Anwendungsfällen eine individuelle Anpassung des Schwellwerts S₁ an die unterschiedlichen Flaschentypen sinnvoll sein.

Wenn die Flaschen durch den Überwachungsbereich bewegt werden, können für bestimmte Auftreffwinkel die Sendelichtstrahlen 5 an den gekrümmten Wänden der Flaschen auf den Empfänger 3 fokussiert werden. In diesem Fall wird die auf den Empfänger 3 auftreffende Lichtmenge durch das Objekt nicht reduziert sondern erhöht. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Anwendungsfall tritt dieser Effekt bei den Empfangssignalen für die mit A und C gekennzeichneten Fla­ schentypen auf. In jeweils einem engen Bereich der Objektposition ist die Fokussierungsbedingung erfüllt, so daß die Empfangssignale deutlich oberhalb des Schwellwerts S_1O liegen. Diese Bereiche sind in Fig. 2 mit I und II ge­ kennzeichnet.

Bei einer herkömmlichen Reflexionslichtschranke würde dies zu dem Signal "Strahlengang frei" führen und damit zu einer Fehlfunktion, da das Objekt nicht mehr erkannt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke 1 können diese auf Fokus­ sierungseffekten beruhenden Signalspitzen I, II erfaßt werden. Hierzu ist der obere Schwellwerts S₂ vorgesehen, dessen Höhe so gewählt ist, daß die Signal­ spitzen I, II der Empfangssignale oberhalb des Schwellwerts S₂ liegen.

Derartige Spitzenwerte liegen typischerweise ca. 10% oberhalb des Empfangs­ signalpegels bei freiem Strahlengang, so daß der Schwellwert S₂ zweckmäßi­ gerweise etwa 5% oberhalb des Schwellwerts S₁ gewählt wird. Bei Bedarf kann der Schwellwert S₂ auch objektabhängig eingestellt werden.

Mittels der Schwellwerte S₁, S₂ erfolgt die Bewertung der Empfangssignale in der Rechnereinheit 11. Liegt der Empfangssignalpegel unterhalb des Schwell­ werts S₁ so befindet sich ein Objekt im Strahlengang. Dies kann durch eine entsprechende Objektmeldung, beispielsweise mittels einer Leuchtdiode, ange­ zeigt werden. Befindet sich das Empfangssignal zwischen den beiden Schwell­ werten S₁ und S₂, so liegt ein freier Strahlengang vor. Auch dies kann durch eine entsprechende Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

Liegt das Empfangssignal oberhalb des Schwellwerts S₂, so liegt kein freier Strahlengang vor. Im einfachsten Fall wird dieser Signalzustand immer als Objekteingriff interpretiert. In diesem Fall erfolgt eine Objektmeldung, sobald das Empfangssignal oberhalb des Schwellwerts S₂ liegt. Alternativ kann dieses Empfangssignal als Störsignal interpretiert werden. In diesem Fall wird das Empfangssignal für die weitere Auswertung verworfen. Zusätzlich kann eine Störmeldung erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Bewertung des oberhalb des Schwellwerts S₂ liegenden Empfangssignals vorgeschichteabhängig erfolgen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, werden bei der Detektion von Klarglasflaschen Empfangssignale oberhalb des Schwellwerts S₂ nur dann erhalten, wenn die Sendelichtstrahlen 5 auf den mittleren Bereich der Flasche treffen. Treffen die Sendelichtstrahlen 5 auf den Randbereich der Flasche, so liegen die Empfangs­ signale signifikant unterhalb des Schwellwerts S₁. Da die Flaschen immer durch den Überwachungsbereich hindurch bewegt werden, treffen die Sendelicht­ strahlen 5 immer zuerst auf den Randbereich und erst dann auf den mittleren Bereich der Flasche. Demzufolge liegt bei der Detektion einer Flasche das Empfangssignal immer unterhalb des Schwellwerts S₁ bevor das Signal plötzlich über die Schwelle S₂ ansteigt.

Demzufolge wird ein Signalwert, der oberhalb des Schwellwerts S₂ liegt, nur dann als Objekteingriff klassifiziert, falls zuvor ebenfalls ein Objekteingriff vorlag, nämlich das Empfangssignal für eine vorgebbare Mindestdauer unterhalb des Schwellwerts S₁ lag.

Werden dagegen Empfangssignale oberhalb des Schwellwerts S₂ registriert, wenn sich zuvor das Empfangssignal zwischen den Schwellwerten S₁ und S₂ befand, also ein freier Strahlengang vorlag, so wird dieses Empfangssignal als Störsignal interpretiert. Dies kann durch Ausgabe einer Störmeldung angezeigt werden. Derartige Störsignale können beispielsweise dadurch entstehen, daß in den Empfänger 3 Fremdlicht einstrahlt, beispielsweise durch eine zweite Refle­ xionslichtschranke 1.

Claims (11)

1. Reflexionslichtschranke (1) zum Nachweis von Objekten in einem Über­ wachungsbereich, an dessen einem Ende ein Sender (2) und ein Empfän­ ger (3) angeordnet sind und an dessen anderem Ende, bezogen auf die vom Sender (2) emittierten Sendelichtstrahlen (5), ein Reflektor (12) angeordnet ist, wobei das am Ausgang des Empfängers (3) anstehende Empfangssignal mit einem ersten Schwellwert S₁ verglichen wird und das Empfangssignal bei freiem Strahlengang oberhalb des ersten Schwellwerts S₁ liegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal mit einem oberhalb des ersten Schwellwerts S₁ liegenden zweiten Schwellwert S₂ verglichen wird, wobei das Empfangssignal bei freiem Strahlengang zwi­ schen den beiden Schwellwerten S₁, S₂ liegt, und daß das Empfangssignal oberhalb des zweiten Schwellwerts S₂ liegt, falls durch einen Objektein­ griff oder Störeinflüsse eine im Vergleich zu dem Empfangssignal bei freiem Strahlengang erhöhte Lichtmenge auf den Empfänger (3) auftrifft.

2. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang des Empfängers (3) anstehenden Empfangssignale einem Analog/Digital-Wandler (10) zugeführt werden, und daß die dort digitali­ sierten Empfangssignale in eine Rechnereinheit (11), in welcher die Schwellwerte S₁, S₂ erzeugt werden, eingelesen werden.

3. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechnereinheit (11) von einem Microcontroller gebildet ist.

4. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wertebereich des digitalisierten Empfangssignals den gesamten Dynamikbereich des Empfängers (3) umfaßt.

5. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schwellwerte einstellbar sind.

6. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Schwellwert S₁ so gewählt ist, daß dieser unmit­ telbar unterhalb dem Empfangssignalpegel bei freiem Strahlengang liegt.

7. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Schwellwert S₁ in einen ersten oberen und einen ersten unteren Schwellwert S_1O, S_1U aufgespalten ist, wobei der Bereich zwischen diesen Schwellwerten S_1O, S_1U die Schalthysterese bildet.

8. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Objekte von Klasglasflaschen gebildet sind, welche durch den Überwachungsbereich geführt werden.

9. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Empfangssignals oberhalb des zweiten Schwellwerts S₂ liegt, falls das vom Reflektor (12) reflektierte Sendelicht durch eine Klar­ glasflasche auf den Empfänger (3) fokussiert wird.

10. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein oberhalb des zweiten Schwellwerts S₂ liegender Emp­ fangssignalpegel als objektbedingte Beeinflussung der Sendelichtstrahlen (5) klassifiziert wird.

11. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein oberhalb des zweiten Schwellwerts S₂ liegendes Emp­ fangssignal nur dann als objektbedingte Beeinflussung registriert wird, wenn zuvor ein Objekt in den Strahlengang eingetreten ist.