DE19910324A1 - Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Vorrichtung betrifft einen berührunglos arbeitenden Sensor, der gegen Verschmutzung unempfindlich ist, und der eine Auswerteschaltung aufweist, die die Funktion des Sensors überprüft. Der Sensor iat als Mikrowellensensor ausgebildet und ist zusammen mit einem induktiven Sensor in einem Gehäuse untergebracht. Im Erfassungsbereich des Mikrowellensensors ist ein Geber gebracht, der von einer Auswerteschaltung angesteuert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen berührungslos arbeitenden Sensor, der gegen Verschmutzung un­ empfindlich ist, und der mit einer Auswerteschaltung versehen ist, die die Funktion des Sensors überprüft.

An Sensoren, die industriell eingesetzt werden, sind zu­ nehmend höhere Anforderungen an ihre Funktionssicherheit zu stellen. Während induktiv arbeitende Sensoren, insbesondere Näherungsschalter, unempfindlich sind gegen Feuchtigkeit oder Verschmutzung, sind optische Sensoren gegen solche Umwelt­ einflüsse sehr empfindlich. Um die Vorzüge optischer Sensoren, mit denen Tastabstände von mehreren Metern erreicht werden können, voll auszunutzen, sind Verfahren entworfen worden, die insbesondere die Verschmutzung der Optiken solcher Sensoren rechtzeitig signalisieren. Solche Verfahren sind z. B. in den Schriften DE 32 30 524, DE 35 35 100 A1 beschrieben.

Obwohl mit den oben angegebenen Verfahren Verschmutzungen bei optischen Systemen rechtzeitig erkannt werden können, um eine Abschalt- oder Warnfunktion zu realisieren, reichen solche Techniken nicht aus, um bei einem Ausfall einer Bauelementes in der elektronischen Auswerteschaltung des Sensors ein Versagen zu erkennen. Hierzu sind Techniken entwickelt worden, die kontinuierlich die elektrische Funktionstüchtigkeit der Sensorauswertung überprüfen. Solche Techniken sind in den Schriften DE 39 31 038, DE 43 06 425, DE 37 22 600 beschrieben.

Die oben beschriebenen Techniken und Verfahren sind zwar geeignet, Funktionsstörungen zu signalisieren, jedoch ist die Funktionstüchtigkeit, insbesondere optischer Systeme deshalb nicht gegeben, weil es in der Anwendung nicht darum geht, daß Fehler ununterbrochen angezeigt werden, sondern daß die Sensoren über lange Zeit, auch bei Verschmutzung, möglichst störungsfrei arbeiten. Die Signalisierung einer Fehlfunktion soll daher auf gravierende Fehlfunktionen des Sensors beschränkt sein.

Für spezielle Anwendungen haben sich dynamisch arbeitende Sensoren bewährt, die nur auf bewegte Teile reagieren. Diese Technik hat den Vorteil, daß Umwelteinflüsse, wie Temperaturschwankungen oder Schwankungen der Luftfeuchtig­ keit unterdrückt werden können. Solche dynamisch arbeitenden Systeme sind daher in der Lage ihre Empfindlichkeit bei sich ändernden Umgebungsbedingungen nahezu konstant zu halten. Bei solchen dynamisch arbeitenden Systemen bereitet jedoch die periodische Funktionsüberprüfung große Schwierigkeiten.

Ziel der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung für einen berührungslos arbeitenden Sensor anzugeben, so daß Funktionsstörungen des Sensors bei Verschmutzung oder technischem Versagen signa­ lisiert werden, und bei dem eine hohe Unempfindlichkeit des sensorischen Systems gegen Verschmutzung gegeben ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und die auf ihn bezogenen Unteransprüche gelöst. Ein wesentliches Merkmal dieser Lösung besteht in der Anwendung eines Mikrowellensensors, der nach dem Doppler­ prinzip arbeitet.

Durch die Wahl dieser Vorrichtung, ist ein dynamisch ar­ beitender Sensor gegeben, d. h. ein Sensor, der nur auf Bewegungen eines Teiles anspricht. Solche Mikrowellen­ sensoren sind unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Schmutz­ beläge, die optische Sensoren sicher außer Betrieb setzen würden.

In seltenen Fällen sind jedoch auch Beläge, wie z. B. Metallstäube denkbar, die auch die Funktion eines Mikro­ wellensensors einschränken würden. Um solche Funktions­ einschränkungen zu erkennen, ist in den Erfassungsbereich des Mikrowellensensors ein Geber gebracht, der von einer Auswerteschaltung angesteuert ist, diese Ansteuerung kann in der Weise geschehen, daß der Geber durch die Auswerte­ schaltung in periodischen Abständen dazu angeregt wird, ein Signal abzugeben, das von dem Mikrowellensensor er­ kannt wird und diesen veranlaßt, ein Signal abzugeben. Die Auswerteschaltung ist so ausgebildet, daß während der kurzen, periodischen Prüfphasen das Reaktionssignal des Mikrowellensensors nur intern zur Funktionskontrolle aus­ gewertet ist, jedoch nicht an eine nachfolgende Signal­ verarbeitung weitergeleitet ist.

Der Geber ist im Erfassungsbereich des Mikrowellensensors an­ geordnet. Er sendet Mikrowellen in einem dem des Mikrowellen­ sensors benachbarten Frequenzbereich aus und simuliert so das Vorhandensein eines sich im Erfassungsbereich des Sensors be­ wegenden Objektes. Er kann innerhalb oder außerhalb des Ge­ häuses,das die Vorrichtung aufnimmt, angeordnet sein.

Der Geber weist vorzugsweise eine Mikrowellenantenne und/oder eine Resonanzkreisanordnung auf, die aus einer Mikrowellen­ keramik gebildet sein kann und er simuliert dem Modulator des Mikrowellensensors eine einem bewegten Objekt entsprechende Dopplerfrequenz. Dies hängt damit zu­ sammen, daß der auf dem Dopplerprinzip basierende Mikrowellen­ sensor bei der Demodulation der Dopplerfrequenzverschiebungen nicht zwischen den Dopllerfrequenzen und Frequenzen, die durch Mischung an seinem Demodulator entstehen unterscheiden kann.

Sind die Frequenzen für den Sender und den Mischeroszillator des Mikrowellensensors identisch, werden bei der Simulation Sender und Mischer überprüft. Eine wirksame Prüfung des Senders kann auch dadurch erfolgen, daß der Simulations­ signalgeber durch den Sender des Mikrowellensenders angeregt ist.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, daß in das den Mirowellensensor umfassende Gehäuse ein zweiter Sensor eingebaut ist, der vorzugsweise als induktiver- Sensor aus­ gebildet ist, und dessen Oszillatorsignal durch eine me­ tallische Umgebung beeinflußt,als Oberwachungssignal aus­ gewertet ist.

Der zweite Sensor gibt ein Signal ab, wenn im Nahbereich des Sensors oder auch direkt auf dem Gehäuse der Vorrichtung metallische Beläge,Verschmutzungen oder am Gehäuse an­ gebrachte Objekte vorhanden sind. Mit diesem zweiten Signal kann identifiziert werden, ob die Sensorfunktion in nächster Zeit ausfallen wird, obwohl der Geber noch einwandfrei er­ kannt wird.

Mit dieser Zusatzfunktion ist es möglich, Produktions­ pausen zu nutzen, um den Mikrowellensensor zu überprüfen. Produktionsausfälle werden auf diese Weise auf ein Mini­ mum reduziert. Je nach Einsatzbereich der Vorrichtung arbeitet der zweite Sensor mit einem induktiven, optischen oder akustischen Prinzip. Es gibt Bedingungen, insbesondere im Außenbereich, die für eine spezielle Frequenz des Mikrowellensensors Dämpfungen hervorrufen, wie z. B. die Größe von Regentropfen. Um solche Störungen auszuschließen, ist vorgesehen, die Frequenz des Mikro­ wellensensors periodisch ansteuerbar zu verändern. Diese Veränderung kann auch durch kontinuierliche Wobbelung des Sendesignals des Mikrowellensensors erfolgen. Um mit einem solchen Mikrowellensensor den Dopplereffekt zu nutzen, muß nicht nur die Sendefrequenz des Mikrowellen­ sensors sondern auch die auf die Mischdiode des Mikrowellen­ sensors gegebene Misch-Oszillatorfrequenz präzise den gleichen Wert haben. Auf diese Weise entstehen nur Doppler­ frequenzen, die von dieser einzigen Frequenz des Mikrowellen­ sensors abweichen.

Die beschriebene Vorrichtung kann auch anstelle eines Mikro­ wellensensors, mit Ultraschall- oder Lasersensensoren arbeiten, die den Dopplereffekt ausnutzen. Insbesondere wird bei der Verwendung von Ultraschallwellen, das Mikrowellenelement durch ein Ultraschallelement ersetzt, das als Sende-Empfänger- Bauteil ausgebildet ist. In dem zugehörigen Geber wird dann gleichfalls ein Ultraschallsender intalliert, der in einem dem des Ultraschallsensors benachbarten Frequenzbereichs Frequenzen aussendet, die das Vorhandensein eines sich im Erfassungsbereich des Sensors bewegenden Objektes simuliert.

Um zu gewährleisten, daß die Funktion des Mikrowellensensors nicht durch äußere Manipulation unterdrückt oder beeinträch­ tigt ist, z. B. durch Auflegen einer Metallplatte oder Auf­ stecken einer Metalldose auf das Sensorgehäuse, ist inner­ halb des Sensorgehäuses ein Taster, vorzugsweise ein induk­ tiver Näherungsschalter vorgesehen, der solche Manipulationen erfaßt und zu einem Signal der angeschlossenen Auswerteelek­ tronik führt, daß die Manipulation signalisiert.

Eine besondere Ausbildung des Gebers, auf den der Mikrowellen­ sensor anspricht, besteht darin' daß er innerhalb des Sensor­ gehäuses eingebracht ist und aus einer Struktur besteht, vor­ zugsweise einer Antenne, in die ein Halbleiter, z. B. eine Diode, integriert ist, und die von der Auswerteelektronik an­ gesteuert ist. Die Struktur ist so ausgebildet, daß sie das von dem Mikrowellensender abgestrahlte elektromagnetische Feld stört, oder diesem Energie entzieht, und dadurch eine Frequenzverschiebung des Mikrowellen-Sendesignals eintritt, die ein Dopplersignal bei vorzugsweise periodischer An­ steuerung durch die Auswerteelektronik erzeugt. Der Geber ist vorzugsweise in der Hauptabstrahldichtung des Mikrowellen­ sensors gebracht, kann aber auch in die schwächere, seitliche oder rückwärtige Abstrahlrichtung gebracht sein, was den Vor­ teil hat, daß der Geber zusätzlich als Reflektor für das Mikrowellen­ signal ausgebildet sein kann. So ist es möglich, Reflektor und Geber, der z. B. eine Antenne oder Resonanz­ struktur darstellt, als eine geometrische Einheit auszubilden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Die induktive Spule 1 des Resonanzkreises für einen induk­ tiven Schalter ist an einen Verstärker 2 angeschlossen, der der Auswertelektronik 5 zugeführt ist. Eine Teilwicklung der Spule 1 ist an einen elektronischen Schalter 6 angeschlossen, der von der Auswerteelektronik 5 angesteuert ist. Der Geber 3 eines Mikrowellensensors ist über eine Ansteuerschaltung 4 an die Auswerteelektronik 5 angeschlossen. Diese steuert einen elektronischen Schalter 7 an, an den eine Diode 8 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer Antennenstruktur 9 verbunden ist, die das Mikrowellensignal beeinflußt. Die Auswerteelektronik 5, die auch die Steuerung durch einen Mikroprozessor beinhalten kann, ist so ausgebildet, daß sie die Schaltstufe 11 dann an­ steuert, wenn der Sensor 3 des Mikrowellensensors der Sensor 1 des induktiven Näherungsschalters ein Betätigungselement 10 erfassen. Während das Betätigungselement 10 für den induktiven Schalter aus Metall bestehen muß und nur im Nahbereich wirkt, erfaßt der Mikrowellensensor 3, 4 metallische und nichtmetal­ lische Gegenstände in größerer Entfernung, die sich bewegen. Die elektronischen Steuereinheiten 6, 7 simulieren die Be­ tätigung des jeweiligen Sensors, wobei die periodische An­ steuerung der Funktionseinheiten 6, 7 zeitlich nacheinander erfolgt. Jeder Sensor reagiert mit einem Signal auf dem Simulationsimpuls. Die Auswerteelektronik 5 unterdrückt während der Simulationszeiten die Weiterleitung eines Schalt­ impulses an die Schalteinheit 11, die je nach angeschlossener weiterer Auswertung ein Schließer, Öffner oder Analogsignal liefert.

Claims (7)

1. Vorrichtung mit einem nach dem Dopplerprinzip arbeitenden, einen Erfassungsbereich überwachenden Mikrowellensensor, dadurch gekennzeichnet, daß im Erfassungsbereich des Mikro­ wellensensors ein Geber angeordnet ist, der Mikrowellen in einem dem des Mikrowellensensors benachbarten Frequenz­ bereichs aussendet und so das Vorhandensein eines sich im Erfassungsbereich des Sensors bewegenden Objekts simuliert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellensensors periodisch ansteuerbar veränderlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber als Mikrowellenantenne und/oder als Resonanz­ kreisanordnung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber durch den Sender des Mikrowellensensors an­ geregt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das den Mikrowellensensor umfassende Gehäuse ein zweiter Sensor eingebaut ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor mit einem induktiven, optischen oder akustischem Prinzip arbeitet.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellensensor durch einen Sensor ersetzt ist, der mit den Dopplereffekt aus­ nutzenden Ultraschall- oder Laserelementen arbeitet.