DE19747248A1 - Reflexionslichtschranke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Reflexionslichtschranke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Reflexionslichtschranke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

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 Emp­ fänger zurückreflektiert werden. Die am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale werden mit dem Schwellwert verglichen. Da vom Reflektor ein großer Anteil des Sendelichts auf den Empfänger zurückreflektiert wird, liegt der Pegel des Empfangssignals oberhalb des Schwellwerts. Befindet sich ein diffus reflektierendes Objekt im Strahlengang, so gelang eine geringere Lichtmenge zum Empfänger, so daß der Pegel des Empfangssignals unterhalb des Schwell­ werts liegt. Auf diese Weise können mit der Reflexionslichtschranke im Über­ wachungsbereich befindliche diffus reflektierende Objekte sicher erkannt werden. Durch den Einsatz von polarisierenden Mitteln, welche dem Sender nachgeord­ net und dem Empfänger vorgeordnet werden, können auch glänzende Objekte mit der Reflexionslichtschranke erfaßt werden.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde eine Reflexionslicht­ schranke der eingangs genannten Art möglichst einfach parametrierbar zu ge­ stalten, damit verschiedenartige Objekte, insbesondere auch aus Klarglas be­ stehende, sicher detektierbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.

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

Fig. 1: Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen der Reflexionslicht­ schranke,

Fig. 2: zeitlicher Verlauf des Empfangssignalpegels und den daraus abge­ leiteten Schwellwerten,

Fig. 3: eine schematische Darstellung der Fokussierung des Sendestrahls durch ein transparentes Objekt.

Fig. 1 zeigt eine Reflexionslichtschranke 1 zum Nachweis von Objekten 7 in einem Überwachungsbereich, an dessen einem Ende ein gepulste Sendelicht­ strahlen 3 aussendender geregelter Sender 2 und ein Empfangsimpulse 6 emp­ fangender Empfänger 8 und an dessen anderem Ende ein Reflektor 5 angeordnet ist, dargestellt. Das am Ausgang des Empfängers 8 anstehende Empfangssignal wird mit Hilfe eines AD-Umsetzters 9 digitalisiert und in einer Rechnereinheit 10 weiterverarbeitet. Die Rechnereinheit 10 steuert den Sender 2 über eine mehr­ stufige Treiberschaltung 4 sowie einen Warn- 13 und einen Schaltausgang 11 an. Ein Abgleichvorgang kann mittels eines Steuereingangs 12, der ebenfalls an die Rechnereinheit 10 angeschlossen ist, ausgelöst werden.

Hierbei wird das digitalisierte Empfangssignal mit einem Schwellwert S1, dem Schaltpegel verglichen. Dieser Schwellwert S1 ist in zwei Schwellwerte, einen unteren Schwellwert S1U und einem oberhalb des Schwellwerts S1U liegenden zweiten Schwellwert S1O aufgespalten. Der Bereich zwischen den beiden Schwellwerten S1U und S1O bildet die Schalthysterese.

Bei freiem Strahlengang liegt das Empfangssignal oberhalb des oberen Schwell­ werts S1O. Die Differenz des Pegels des Empfangssignals bei freiem Strahlen­ gang (S0) und des Schwellwerts S1O wird als Funktionsreserve bezeichnet. Be­ findet sich ein Objekt 7 im Überwachungsbereich, welches den Strahlengang der Reflexionslichtschranke 1 unterbricht, so daß nur noch eine im Vergleich zum freien Strahlengang geringere Lichtmenge auf den Empfänger 8 auftrifft, so liegt das Empfangssignal unterhalb des ersten unteren Schwellwerts S1U.

Dabei sind die Schwellwerte S1U und S1O so gewählt, daß bereits eine geringe objektbedingte Abschwächung der auf den Empfänger 8 auftreffenden Licht­ menge dazu führt, daß das Empfangssignal unter den Schwellwert S1U absinkt und damit zu einer Objektmeldung am Schaltausgang 11 führt. Dadurch ist ge­ währleistet, daß auch transparente Medien, insbesondere Klarglasprodukte, wie zum Beispiel Flaschen, erkannt werden können.

Die Festlegung der Schwellwerte erfolgt während eines Abgleichvorgangs bei welchem sich kein Objekt 7 im Überwachungsbereich befindet. Der Abgleichvor­ gang durch einen externen Eingriff mittels des Steuereingangs 12 ausgelöst. Hierbei wird von der Rechnereinheit 10 der Pegel des vom AD-Umsetzer 9 digitalisierten Empfangssignal bewertet. Liegt dieser Pegel in einem zulässigen Bereich, der durch den Regelbereich des Verstärkers und das Systemrauschen bestimmt wird, so wird dieser Referenzpegel 50 zur Berechnung der Schwell­ werte S1U und S1O herangezogen. Der untere Schwellwert S1U wird aus dem Referenzpegel S0 berechnet und ist bei einer Anwendung, bei der transparente Medien erkannt werden sollen typisch 90% dieses Referenzpegels S0. Der obere Schwellwert S1O ergibt sich aus dem errechneten unteren Schwellwert S1U im einfachsten Fall durch Addition einer zeitlich konstanten Schalthysterese. Als für die Praxis besser geeignet erwies sich aber eine zeitlich veränderliche (dynamische) Schalthysterese. Diese wird ebenfalls aus dem Referenzpegel S0 zum Zeitpunkt des Abgleiches abgeleitet und ist kleiner als die Differenz von Referenzpegel S0 und dem unteren Schwellwert S1U. Wird die Schalthysterese relativ groß gewählt, verringert sich die Funktionsreserve zwangsläufig. Deshalb ist es sinnvoll bei einem hohen Referenzpegel S0, d. h. hier bei einer großen Funktionsreserve, eine größere Schalthysterese zu wählen, als bei einem ver­ gleichbar geringeren Referenzpegel S0. Auf diese Weise werden durch Signal­ rauschen verursachte Fehlschaltungen weitgehend vermieden. Bei der dynamischen Schalthysterese ist darauf zu achten, daß dieser Wert nicht unter ein Minimum fällt, das sich aus dem Rauschen des Gesamtsystems ableitet und typisch bei ca. 50 mV liegt.

Für Klarglasanwendungen wird die Schalthysterese zweckmäßigerweise möglichst gering gehalten, um eine möglichst große Funktionsreserve zu er­ halten. Die dynamische Schalthysterese kann auch bei anderen Anwendungen, wie der Erkennung von Buntglas und nicht transparenten Medien, eingesetzt werden. Die Verwendung einer dynamischen Schalthysterese ist dann vorteilhaft, wenn der Referenzpegel S0 und damit die Schaltschwellen S1O, S1U selbst zeit­ lich veränderlich sind. Dann kann die Schalthysterese auf einfache Weise durch Multiplikation eines konstanten Werts mit dem Referenzpegel S0 und des ent­ sprechendem unteren Schwellwerts S1U dadurch abgeleitet werden.

Bei den zyklischen oder sporadischen Abgleichvorgängen, die bei den jeweiligen Anwendungen und/oder der auftretenden Verschmutzung entsprechend zwischen einigen ms bis zu mehreren Stunden liegen, wird eine Änderung des Referenz­ pegels S0 zum letzten Abgleichvorgang registriert und kann für den neuen Ab­ gleichvorgang verwendet werden.

Bei jedem Abgleichvorgang werden die Schwellwerte S1U und S1O neu be­ rechnet und der Referenzpegel S0 als Vergleichswert für den folgenden Abgleich­ vorgang abgespeichert. Bei einer Erhöhung des Referenzpegels S0 im Vergleich zum letzten Abgleichvorgang, wird die Senderleistung zweckmäßigerweise in definierten Schritten verringert. Die Senderleistung wird dabei bis auf eine definierte Minimalleistung reduziert, die eine korrekte Funktion des Senders 2 garantiert.

Bei einer Verringerung des Referenzpegels S0 im Vergleich zum letzten Ab­ gleichvorgang auf einen kritischen Empfangssignalpegel, der nicht mehr im zu­ lässigen Bereich liegt, wird die Senderleistung, falls diese noch unterhalb des Maximalwerts liegt, um einen vorgegebenen Wert vergrößert und mit dieser neuen Senderleistung automatisch ein erneuter Abgleichvorgang gestartet und das Ergebnis nach den gleichen Kriterien bewertet. Dies wird so lange wieder­ holt bis der Empfangssignalpegel wieder im zulässigen Bereich liegt oder der Sender 2 nicht weiter aufgesteuert werden kann. Nach erfolgtem Abgleich wird der durch den außerhalb des zulässigen Bereichs liegenden Empfangssignalpegel gesetzte Warnausgang 13 zurückgesetzt, es sei denn, der empfangene Referenz­ pegel S0 erreicht bei maximaler Senderleistung nicht einen definierten Minimumpegel. Das nach dem Abgleich anstehende Warnsignal informiert den Anwender, daß der Reflektor 5 oder das Austrittsfenster der Reflexionslicht­ schranke 1 verschmutzt sind, wodurch der Pegel des Empfangssignals 14 redu­ ziert ist ohne daß zu diesem Zeitpunkt die Leistungsfähigkeit der Reflexions­ lichtschranke 1 schon beeinträchtigt wäre.

Nach dem Reinigen des Austrittsfensters der Reflexionslichtschranke 1 oder des Reflektors 5 und anschließendem Abgleich bei freier Strecke ist die Reflexions­ lichtschranke 1 wieder uneingeschränkt betriebsbereit.

Ein weiterer, eine Warnschwelle bildender Schwellwert S2 (Fig. 2) zur Generierung eines Warnsignales, wie er aus der DE 42 28 112 bekannt ist, infor­ miert den Anwender, wenn der Pegel des Empfangssignals bei freiem Strahlen­ gang an der Grenze der Funktionsreserve liegt. Hier arbeitet die Reflexionslicht­ schranke 1 noch fehlerfrei, es wird lediglich durch einen Warnausgang 13 signalisiert, daß ein Abgleich durchgeführt werden sollte, um die sichere Funktion weiter zu gewährleisten.

Bei jedem Abgleichvorgang wird die Warnschwelle S2 in Abhängigkeit vom Re­ ferenzpegel S0 und der unteren Schaltschwelle S1U, bzw. des zu detektierenden Mediums generiert. Die Warnschwelle S2 liegt dabei zwischen dem oberen Schwellwert S1O und dem Referenzpegel S0 und ist so zu dimensionieren, daß eine möglichst große Funktionsreserve vorhanden ist, das Warnsignal aber recht­ zeitig gesetzt wird, um Beeinträchtigungen der Funktionsfähigkeit der Re­ flexionslichtschranke 1 anzuzeigen. Der Bereich zwischen dem Referenzpegel S0 und der Warnschwelle S2 wird als Bereich mit ausreichender Funktions­ reserve und der Bereich zwischen S2 und S1 als Bereich ohne ausreichende Funktionsreserve bezeichnet (Fig. 2). Die Differenz zwischen Warnschwelle S2 und Schaltschwelle muß bei Klarglasanwendungen möglichst klein gewählt werden. Bei weniger transparenten Medien oder nicht transparenten Medien, die systembedingt schon eine größere Funktionsreserve aufweisen, kann diese Differenz größer sein. Wenn bei einer bestimmten Anzahl von aufeinander folgenden Abdunklungen durch ein Objekt 7 keine ausreichende Funktions­ reserve mehr vorhanden ist, wird der Warnausgang 13 gesetzt. Vorteilhafter­ weise wird der Warnausgang 13 gesetzt, wenn bei drei aufeinander folgenden Übergängen von Objekt 7 erkannt zu Objekt 7 nicht erkannt die Warnschwelle S2 nicht mehr überschritten wurde. Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des Warnausgangs 13 wird analog zur Schaltschwelle S1 die Warnschwelle S2 in eine untere Warnschwelle S2U und eine obere Warnschwelle S2O mit ent­ sprechender Hysterese aufgespalten. Für diese Hysterese gelten sinngemäß die gleichen Kriterien, wie für die oben erwähnte Schalthysterese. Fig. 2 zeigt einen typischen Verlauf des Pegel des Empfangssignals 14 bei zunehmender Verschmutzung. Zum Zeitpunkt t0 wird die Reflexionslichtschranke 1 abge­ glichen und die Schwellwerte S1U, S1O werden berechnet. Bis zum Zeitpunkt t1 ist die Reflexionslichtschranke 1 in Betrieb mit ausreichender Funktions­ reserve. Zwischen t1 und t2 ist die Reflexionslichtschranke 1 im Bereich ohne ausreichende Funktionsreserve und der Warnausgang 13 wird gesetzt. Wird zwischen t1 und t2 kein Abgleich vorgenommen ist die Funktion der Reflexions­ lichtschranke 1 ab dem Zeitpunkt t2, wenn der Empfangssignalpegel die Schalt­ schwelle S1 unterschreitet, gestört.

Bei der Erkennung von Klarglasflaschen, kann es bei bestimmten Flaschen und Anordnungen zu einer Fokussierung der Sendelichtstrahlen 3 kommen, was zu Fehlschaltungen führen kann. Dieser Fall ist in Fig. 3 dargestellt. Dort ist die Reflexionslichtschranke 1 nicht optimal ausgerichtet, so daß bei freiem Strahlen­ gang nur ein Teil der Sendelichtstrahlen 3 auf den Reflektor 5 trifft und von dort zum Empfänger 8 gelangt. Diese Sendelichtstrahlen 3' gelangen daher nicht nur auf den Empfänger 8. Die Sendelichtstrahlen 3' können durch ein transparentes Objekt 7 mit fokussierenden Eigenschaften zum Reflektor 5 hin gebrochen werden (3''). Dadurch wird ein Empfangssignalpegel erzeugt, der oberhalb des Referenzpegels S0 bei freiem Strahlengang liegt. Zur Vermeidung von Fehl­ schaltungen wird ein weiterer Schwellwert S3 erzeugt, der über dem Referenz­ pegel S0 liegt. Der Schwellwert S3 ist so gewählt, daß, falls im Strahlengang ein transparentes Objekt 7 so angeordnet ist, daß dieses die Sendelichtstrahlen 3 auf den Empfänger 8 fokussiert, der Empfangssignalpegel oberhalb des Schwellwerts S3 liegt (Fig. 2). Wenn die Reflexionslichtschranke 1 abgeglichen ist, kann ein Empfangssignalpegel, der oberhalb S0 liegt nur durch eine Fokussierung der Sendelichtstrahls 3 hervorgerufen sein, d. h. es befindet sich ein Objekt 7 mit fokussierenden Eigenschaften im Strahlengang. Dieses Objekt 7 würde mit der Schaltschwelle S1 alleine nicht erkannt werden. Durch den Schwellwert S3, der ebenfalls in zwei Schwellwerte S3U und S3O mit entsprechender Hysterese auf­ gespalten ist, kann ein Objekt 7 mit fokussierenden Eigenschaften im Strahlen­ gang erkannt werden. Auf eine derartige Objekterkennung kann entsprechend reagiert werden, z. B. durch Generierung einer Objekt- oder Warnmeldung oder durch Verwerfen der Messung.

Die oben beschriebene Auswertung für Klarglasanwendungen kann auch ohne weiteres auf Anwendungen mit größeren Transmissionsverlusten, z. B. Buntglas oder nicht transparente Medien angewendet werden. Hierbei muß die Reflexions­ lichtschranke 1 nur in der Schaltschwelle S1 und der Warnschwelle S2 für die entsprechenden Transmissionsverluste geändert werden. Diese Änderung der Parametrierungen kann über zusätzliche Eingänge an der Rechnereinheit 10 realisiert werden. Hierfür könnte im einfachsten Fall ein mechanischer Schalter oder ein Potentiometer an der Reflexionslichtschranke 1 genutzt werden. Alter­ nativ kann die Änderung der Parametrierung über eine Sensorbus-Schnittstelle erfolgen.

Ist nur ein Steuereingang 12 vorgesehen, so können über Protokolle mit unter­ schiedlichen Impulsfolgen die verschiedenen Parametrierungen aktiviert werden.

Der Steuereingang 12 kann auch als analoger Eingang für die bei SPS üblichen 0. . .10 V ausgelegt werden. Dabei kann ab einer Spannung USCHWELL ein Ab­ gleich ausgelöst werden, wobei der angelegte analoge Spannungswert kontinuier­ lich oder in Stufen für die Quantifizierung der Schaltschwelle genutzt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist gegeben, wenn der Empfangssignalpegel dem Anwender optisch angezeigt wird, wobei die Anzeige ein relatives Maß für den Empfangssignalpegel ist. Dies hat besonders bei der Inbetriebnahme und dem Ausrichten der Reflexionslichtschranke 1 und des Re­ flektors 5 Vorteile, vor allem im Bezug auf fokussierende transparente Medien. Der Empfangssignalpegel ist hierbei ein direktes Maß dafür, wie gut die Re­ flexionslichtschranke 1 ausgerichtet ist, wobei das Bedienpersonal über die Blinkfrequenz oder die Leuchtintensität einer LED geführt werden kann.

Die aktuellen Schwellwerte und die Senderansteuerung der Reflexionslicht­ schranke 1 werden bei jedem Abgleich in einem nicht flüchtigen Speicher ge­ speichert, damit beim Abschalten der Betriebsspannung die aktuellen Werte nicht verloren gehen. Nach Wiederanlegen der Betriebsspannung können diese ausge­ lesen werden und die Reflexionslichtschranke 1 ist sofort betriebsbereit, ohne daß erneut abgeglichen werden muß.

Claims (16)

1. Verfahren zum Betrieb einer Reflexionslichtschranke mit einem Sende­ lichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfänger an einem Ende eines Überwachungsbereichs und einem Reflektor am anderen Ende des Überwachungsbereichs, welcher die Sendelichtstrahlen bei freiem Strahlen­ gang auf den Empfänger zurückreflektiert, wobei das am Ausgang des Empfängers anstehende Empfangssignal mit einem eine Schaltschwelle bildenden Schwellwert S1 verglichen wird, wobei das Empfangssignal bei freiem Strahlengang oberhalb des Schwellwerts S1 liegt und das Emp­ fangssignal unterhalb von S1 liegt, falls sich ein Objekt im Überwachungs­ bereich befindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert S1 während eines Abgleichvorgangs in Abhängigkeit eines Referenzpegels S0, wobei der Referenzpegel S0 durch den Pegel des Empfangssignals gegeben ist, welcher sich bei auf ein Referenzobjekt gerichteten Sendelichtstrahlen (3) ergibt, festgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgleichvor­ gang bei freiem Strahlengang erfolgt, und daß das Referenzobjekt vom Re­ flektor (5) gebildet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ gleichvorgang innerhalb vorgegebener Zeitintervalle fortlaufend wiederholt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenz­ pegel S0 bei jedem Abgleichvorgang neu bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert S1 in zwei Schwellwerte S1O und S1U aufgespalten ist, wobei die Differenz der Schwellwerte S1O und S1U die Schalthysterese bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert S1U durch Multiplikation eines Faktors A mit dem Referenzpegel S0 be­ rechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor A = 0,5-0,9 beträgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert S1O durch Addition einer konstanten Schalthysterese und dem Schwellwert S1U berechnet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert S1O durch Multiplikation eines konstanten Faktors mit dem Referenzpegel S0 berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Referenzpegel S0 eine Warnschwelle S2 berechnet wird, welche oberhalb des Schwellwerts S1 liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Warnsignalabgabe erfolgt, falls bei einer definierten Anzahl von objektbedingten Schaltvorgängen der Pegel des Empfangssignals die Warn­ schwelle S2 nicht überschreitet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwellwert S3 generiert wird, welcher oberhalb des Schwellwerts S0 liegt, wobei der Pegel des Empfangssignals oberhalb des Schwellwerts S0 liegt, wenn durch im Überwachungsbereich befindliche transparente Ob­ jekte (7) eine bezüglich bei freiem Strahlengang erhöhte Lichtmenge auf den Empfänger (8) trifft.

13. Reflexionslichtschranke zum Nachweis von Objekten in einem Über­ wachungsbereich mit in einem Gehäuse integrierten einen Sendelicht­ strahlen emittierenden Sender und einem Empfänger sowie einem dem Ge­ häuse in Abstand gegenüberstehenden Reflektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) und der Empfänger (8) an eine Rechnereinheit (10) in welcher zu vorgegebenen Zeiten ein Abgleichvorgang gemäß dem Ver­ fahren der Ansprüche 1-12 durchgeführt wird, und daß an die Rechner­ einheit (10) extern betätigbare Anschlußmittel zur Aktivierung des Ab­ gleichvorgangs angeschlossen sind.

14. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmittel von einem Potentiometer oder einem mechanischen Schalter gebildet ist.

15. Reflexionslichtschranke nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußmittel von einer Sensorbus-Schnittstelle gebildet ist.

16. Reflexionslichtschranke nach einem der Ansprüche 13-15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß deren Betriebsart über das Anschlußmittel umschaltbar ist.