DE2021102A1

DE2021102A1 - Detektor fuer bewegbare Gegenstaende

Info

Publication number: DE2021102A1
Application number: DE19702021102
Authority: DE
Inventors: Ewald Schulze; Peter Dipl-Ing Wentzel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-29
Filing date: 1970-04-29
Publication date: 1971-11-11
Also published as: GB1306207A; DE2021102B2; FR2086443B1; IT976364B; LU63063A1; NL7105705A; DE2021102C3; US3723862A; FR2086443A6; BE766458A

Description

SIEMENS AKTIENGrESSLlSGHAFT München 2, den 2ä Aft 1970

Berlin-, und München Wittelsbacherpla*tz"2"

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Detektor für bewegbare Gegenstände

Das Hauptpatent bezieht sich auf einen Detektor für Gegenstände, die beim Einführen in ein Magnetfeld das Magnetfeld durch ihre Materialeigenschaften verändern, mit einem Sender als Quelle für ein Magnetfeld und einem mit dem Sender über das Magnetfeld gekoppelten Empfänger, der in einem zum berührungslosen'Vorbeiführen eines zu registrierenden Gegenstandes geeigneten Abstand vom Sender angeordnet ist.

Durch einen zu registrierenden Gegenstand wird dabei die induktive Kopplung zwischen Sender und Empfänger geändert. Die sich daraus ergebende Änderung der elektrischen Spannung des Empfängers läßt sich mittelbar oder unmittelbar dazu benutzen, elektrische Schalter zu betätigen. Um mit einer derartigen Anordnung möglichst genaue Messungen durchführen zu können,, liegt dem Gegenstand des Hauptpatentes die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der von solchen Detektoren abnehmbaren Signale zu verbessern.

Nach dem Hauptpatent wird diese Aufgabe gelöst durch Magnetkerne, die zur Ausbildung einer Magnetfeldschranke mit starrer Feldlinienbündelung mit verhältnismäßig kleinen Stirnflächen aufeinander ausgerichtet beidseits der Be-

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wegungsbahn des zu registrierenden Gegenstandes im Sender und im Empfänger angeordnet sind, und durch eine magnetische Abschirmeinrichtung, durch die zumindest der Empfänger oder zumindest der Sender auf der der Bewegungsbahn zugewandten Seite bis auf die Stirnfläche seines Magnetkernes abgedeckt ist.

Durch die Änderung der elektrischen Spannung des Empfängers einer aolchen Anordnung sollen mittelbar oder unmittelbar elektrische Schalteinrichtungen betätigt werden. Diese Signalgeber können nun zum Beispiel einen LC-Oszillator enthalten, dessen Schwingkreisinduktivität durch die Spule des Empfängers oder des Senders gebildet wird. Da allgemein ein Oszillator nur anschwingt, wenn eine Störung vorhanden ist, schwankt der Zeitpunkt des Anschwingens eines üblichen selbstschwingenden Detektors entsprechend dem Eigenrauschen der Schaltung statistisch. Diese Schwankungen beeinträchtigen die zeitliche Genauigkeit des Detektors. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die zeitliche Genauigkeit eines Detektors für bewegbare Gegenstände mit einem LC-Oszillator als Signalgeber weiter zu verbessern, dessen Schwingkreiseigenschaften beim berührungslosen Vorbeiführen eines zu registrierenden Gegenstandes an einem Empfänger geändert werden. Dies gilt insbesondere auch für einen induktiven Detektor, der gemäß der Lehre des Hauptpatentes ausgebildet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine WechselSpannungsquelle, die derart an den Eingang des Oszillators angeschaltet ist, daß dieser schon im Ruhezustand mit niedriger Amplitude schwingt, so daß er sofort

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mit hoher Amplitude schwingt, wenn ein zu registrierender Gegenstand an dem Empfänger vorbeigeführt wird. Damit können die statistischen Schwankungen des Zeitpunktes, zu dem ein Oszillator anschwingen kann, die Genauigkeit des Detektors nicht mehr beeinflussen. Das bedeutet unter anderem, daß damit erst die Vorteile einer Anordnung gemäß dem Hauptpatent echt zum Tragen kommen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die WechselSpannungsquelle als amplitudenabhängiges Rückkopplungsnetzwerk ausgebildet ist, das zwischen Ausgang und Eingang des Oszillators angeordnet ist, und daß außerdem parallel dazu ein Gegenkopplungsne*tzwerk liegt und damit die Verstärkung des Oszillators konstant gehalten wird. Diese Lösung ist deshalb so vorteilhaft, weil dadurch auf eine externe Wechselspannungsquelle verzichtet werden kann und mit wenig Aufwand die Oszillatoramplitude für einen der beiden Betriebszustände auf einen bestimmten Wert festzulegen ist. Durch das weiterhin vorgesehene Gegenkopplungsnetzwerk wird außerdem erreicht, daß die Verstärkung des Oszillators von der Frequenz weitgehend unabhängig ist. Dies wiederum bedeutet eine Verbesserung der Genauigkeit des Detektors/Andere Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Pig.1 scheraatisch dargestellt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Detektors,

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• Pig.2 den dazu gehörigen Stromlaufplan und

Pig.3 in schematischer Darstellung die mechanische Anordnung eines Senders und eines Empfängers für einen induktiven Detektor, deren Spulen L1 und L2 eines der beiden Rückkopplungsnetzwerke des Oszillators bilden.

Durch den Detektor soll die Lage von bewegbaren Gegenständen registriert werden. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel stellt eine in Pig.1 schematisch dargestellte rotierende Schlitzscheibe SS einen solchen Gegenstand dar. Sie besitzt auf ihrem Umfang verteilt radial verlaufende Schlitze, deren Vorder- oder Hinterkante festgestellt werden sollen, wenn sie an einem Empfangsorgan des Detektors vorbeigeführt werden. Das Empfangsorgan des Detektors enthält im wesentlichen eine Empfängerspule L1. Diese und eine weitere Spule, die als Sendespule 12 ausgebildet ist, bilden zusammen ein Rückkopplungsnetzwerk des LC-Oszillators. Beide Spulen sind miteinander induktiv gekoppelt. Durch die zwischen ihnen rotierende Schlitzscheibe SS wird der Kopplungsfaktor ver- t ändert, da die Schlitzscheibe SS eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzt und die Kopplung stark dämpft, so lange kein Schlitz dieser Scheibe an dem Smpfangsorgan des Detektors vorbeigeführt wird.

Die Empfängerspule L1 und ein Kondensator C1, der zwischen diese Spule und den Eingang des Oszillators geschaltet •ist, bilden zusammen den Schwingkreis des Oszillators. Der Oszillator ist nun so ausgelegt, daß er nur dann mit großer

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Amplitude schwingt» wenn sieh ein Schlitz zwischen der Empfängerspule ΙΛ und der Sendespule L2 befindet» Da aber ein solcher Oszillator nur anschwingt, wenn eine Störung auftritt, schwankt der Zeitpunkt des Anschwingens entsprechend dem Eigenrauschen der Schaltung statistisch. Diese Schwankungen wurden die zeitliche Genauigkeit des Detektors in einem unzulässigen Ausmaß beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, besitzt der Oszillator ein weiteres Rückkopplungsnetzwerk RN, das amplitüdenbegrenzend ausgeführt ist» Dadurch wird nun erreicht, daß der Oszillator ständig mit einer kleinen Amplitude schwingt. Eine Änderung der in der Empfängerspule L1 induzierten Spannung wirkt sich deshalb nur um die Zeitkonstante des'Anschwingvorganges verzögert auf die Amplitude des-Oszillators aus.

Damit wird nun deutlich, daß der Oszillator zwei Schwingunfszustände besitzt, je nachdem ob sich gerade ein Schlitz an »einem Empfangsorgan vorbeibewegt oder nicht. Diese zwei Schwingungszustände werden durch eine an den Ausgang : des Oszillators angeschlossene Schwellwertschaltung SW bewertet, die dann durchgeschaltet wird und ein Ausgangssignal Ua abgibt, wenn der Oszillator mit großer Amplitude schwingt.

Die Schaltungsanordnung des Detektors wird nun im folgenden anhand des in der Fig.2 dargestellten Strpmlaufplanes näher erläutert. Den Schwingkreis des Oszillators bildet die Empfängerspule L1 und der an den Eingang des Verstärkers V angeschaltete Kondensator GT. Zwischen beide ist ein Widerstand R2 geschaltet, der die Schwingkreisgüte bedämpft. Damit kann die Anschwingzeitkonstante des

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Oszillators"klein gehalten werden» außerdem hat die Güte der Spule auch nur einen geringen Einfluß. Erwähnenswert ist noch, daß der Schwingkreis LT, GI, R2 mit einer 45-Verstimmung betrieben wird» um die notwendige Phasendrehung des Über 12, Li zurückgekoppelten Signals zu er-

halten. Der Verstärker-V ißt als zweistufiger Verstärker aus den beiden Transistoren T1 und 52 aufgebaut. Dabei ist die Basis des ersten !Transistors T1 mit dem Schwingkreiskondensator C1 verbunden, der Emitter geerdet und der Kollektor über den Kollektorwiderstand R3 an positive Versorgungsspannung +Ub gelegt. Die Basis des zweiten Transistors T2 ist an den Kollektor des ersten Transistors T1 angeschlossen. Der Emitterwideretand dieses zweiten Transistors T2 wird durch einen Spannungsteiler R5 und R6 gebildet, der einseitig an Erde liegt. Dieser Spannungsteiler R5» R6 stellt einen Teil eines Gegenkopplungsnetzwerkes dar, das durch eine» weiteren Widerstand R4 vervollständigt wird, der direkt zwischen den Emitter des zweiten Transistors und die Basis des ersten Transistors geschaltet ist. Parallel zu diesem Widerstand R4 liegt ein weiterer Widerstand R9, der als Abgleichwiderstand dient. Dieses Gegenkopplungsnetzwerk ist so dimensioniert, daß die Verstärkung des gesamten Oszillators weitgehend konstant bleibt.

Außerdem besitzt der Oszillator erfindungsgemäß ein Rückkopplungsnetzwerk RH. Dazu ist der Kollektorwiderstand R7 des zweiten Transistors 5?2 mit einem weiteren Widerstand R1 verbunden, dessen zweiter Anschluß an dem Verbindungspunkt zwischen der Eiapfängerspule Lt und dem Widerstand R2 liegt. Um dieses Rückkopplungsnetzwerk RN amplitudenab-

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hängig auszubilden, sind an den Verbindungspunkt der beiden Widerstände RI und KJ zwei parallelgeschaltete, aber entgegengesetzt gepolte Begrenzerdioden LI, D2 angeschlossen, die mit ihren anderen Anschlüssen an der positiven Versorgungsspannung +üb liegen. Aufgrund de,r Diraensionierung dieses Rückkopplungsnetzwerkes RN wird die an den Begrenzerdioden DT₁ 1)2 liegende Wechselspannung über den Widerstand R1 und den Schwingkreis so zurückgekoppelt, daß die Oszillatoramplitude unter der Ansprechschwelle der Schwellenwertschaltung SW liegt. Außerdem besitzt der Oszillator ein weiteres Rückkopplungsnetzwerk. Es besteht aus einer im Sender des Detektors angeordneten Sendespule L2, die zwischen den Kollektor des zweiten Transistors T2 und positive Versorgungsspannung +Ub geschaltet ist und aus der Empfängerspule L1, die die Schwingkreisinduktivität darstellt und in dem Empfangsorgan des Detektors angeordnet ist. Die Werte der Sendespule 12 und des EmitterwiderständesR? der zweiten Verstärker stufe bedingen eine bestimmte Phasendrehung des rückgekoppelten Signales, die zusammen mit der Verstimmung des Schwingkreises L1, C1 ausreicht, um die Phasenbedingung am Eingang des Verstärkers zu erfüllen. Die mechanische Anordnung von Sende- und Empfängerspule geht aus der Pig.3 hervor, die den Sender und das Empfangsorgan eines induktiven Detektors schematisch zeigt. Der Sender enthält die Sendespule L2, die einen Magnetkern K2 besitzt und von einem magnetischen Abschirmtopf AT umgeben ist. Auf der dem Empfangsorgan gegenüberliegenden Fläche sind der Magnetkern K2 der Sendespule h2 und deren Abschirratopf AT durch Isolierstoffplättchen I voneinander isoliert. Diese Ausbildung des Senders gemäß der lehre

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den Hauptpatenten ermöglicht eine starke Bündelung des Magnetfeldes zwischen der Sendespule 12 und der mit ihr gekoppelten Empfängerspule L1, die einen Magnetkern K1 besitzt. Wird nun, wie in dem gewählten Ausführungabeispiel, eine rotierende Schlitzscheibe zwischen Sender und Empfänger bewegt, so wird dadurch das stark gebündelte Magnetfeld verändert. Ein zwischen Sender und Empfangsorgan vorbeigeführter Schlitz beeinflußt das Magnetfeld nicht, dabei erhöht sich die Kopplung zwischen den beiden Spulen 11 und L2. In der Empfangerspule L1 wird eine höhere Spannung induziert, die ausreicht, den Oszillator mit einer so hohen Amplitude schwingen zu lassen, daß die Schwellenwertschaltung SW durchgeschaltet wird.

Dieae Schwellenwertschaltung SW besteht aus einem weiteren Transistor T3, der in Emitter-Basis-Schaltung betrieben wird und einen Basis-Widerstand R8 besitzt, der an dem Verbindungspunkt des Spannungsteilers R5, R6 angeschaltet ist. Im Ruhezustand des Oszillators, d.h. so lange er mit kleiner Amplitude schwingt, liegt an dem Widerstand R6 des Spannungsteilers im Emitterkreis des zweiten Transistors eine Gleichspannung und eine kleine überlagerte Wechselspannung, bei der der Transistor T3 noch sicher gesperrt bleibt. Schwingt dagegen der Oszillator mit voller Amplitude, dann steigt die der Gleichspannung überlagerte Wechselspannung am Widerstand R6 auf einen Wert an, bei dem der Transistor T3 periodisch durchschaltet. Die Schwellenwertschaltung SW gibt in diesem Fall ein großes Ausgangssignal Ua ab, das durch einen parallel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors T3 geschalteten Kondensator 02 gesiebt wird.

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Die Erfindung wurde anhand eines AusfUhrungsbeispiele» beschrieben, sie beschränkt sich aber nicht darauf. Wenn sie auch bevorzugt bei induktiven Detektoren angewendet werden soll, die gemäß der lehre des Hauptpatentes' ausgebildet sind, so bedeutet das jedoch keine Einschränkung, Sie ist vielmehr allgemein bei Detektoren für bewegbare Gegenstände mit Vorteil dann zu verwenden, wenn es auf eine hohe Genauigkeit der Lage des zu registrierenden Gegenstandes ankommt. Dabei kann ein solcher Gegenstand nicht nur durch die veränderliche Kopplung zwischen zwei Spulen festgestellt werden. Es ist auch durchaus denkbar, daß durch den zu registrierenden Gegenstand Schwingkreiseigenschaften geändert werden, dadurch, daß der Schwingkreis zum Beispiel durch einen festzustellenden Gegenstand stärker gedämpft wird oder sogar die Kapazität des Schwingkreises verändert wird. ■ *

7 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

- ίο - Patentansprüche

1. Detektor für bewegbare Gegenstände mit einem LC-Qszillator als Signalgeber, dessen Schwingkreiaeigenschaften beim berührungslosen Vorbeiführen deB zu registrierenden Gegenstandes an einem Smpfänger geändert werden, insbesondere

gemäß Hauptpatent (Patentanmeldung Aktenzeichen

P 15 74 563.8), gekennzeichnet durch eine Wechsel Spannungsquelle, die derart an den Eingang des Oszillators angeschaltet ist, daß dieser schon im Rühezustand mit niedriger Amplitude schwingt, so daß er dann sofort mit hoher Amplitude schwingt, wenn ein zu registrierender Segenstand an dem Empfänger vorbeigeführt wird,

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die WechselSpannungsquelle als amplitudenabhängiges Rückkopplungsnetzwerk (HK) ausgebildet ist, das zwischen Ausgang und Eingang des Oszillators angeordnet ist,und daß außerdem parallel dazu ein Gegenkopplungsnetzwerk liegt und damit die Verstärkung des Ossiilators konstant gehalten wird.

3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennze i ohne t, daß der LC-Oszillator einen aus Transistoren (T1, T2) aufgebauten zweistufigen Verstärker in Emitter-Basis-Schaltung enthält, daß für die amplituden- _m abhängige Rückkopplung ein Kollektor-Widerstand (R7) des zweiten Transistors (T2) und ein Basis-Widerstand (R1) des ersten Transistors (T1) miteinander verbunden und über zwei parallelgeschaltete, aber entgegengesetzt ge-

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polte Begrenzerdioden (DI, D2) an Versorgungsspännung (+Uh) gelegt sind und daß der Emitter dee zweiten Transistors (T2) über einen weiteren Widerstand (R4) mit der Basis des ersten Transistors (T1) verbunden ist.

4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dad u ,r c h g e k e η η ζ ei c h η e t, daß an den Ausgang des LC-Oszillatafs eine Schwellenwertschaltung (SW) angeschlossen ist, die dann durchgeschaltet wird, wenn der Oszillator mit großer Amplitude schwingt*

5» Detektor nach Anspruch 4, d a d ü r c h g e k e η n- z ei c h η e t, daß der Emitter-Widerstand des zweiten Transistors (T2) als Spannungsteiler (R5, R6) ausgebildet ist, an dessen Verbindungspunkt über einen weiteren Widerstand (R8) die Basis eines dritten Transistors (T3) angeschlossen ist, zu dessen Emitter-Kollektor-Strecke ein Glättungskondensator (C2) parallel liegt.

6. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, g e k e η nz e ic h η et ,durch ein weiteres Rückkopplungsnetzwerk, bestehend aus einer im Kollektorkreis des zweiten Transistors angeordneten Sendespule (.12) und einer im BaSiskreis des ersten Transistors angeordneten Empfängerspule (Lt), deren Kopplungsfaktor durch den zu registrierenden Gegenstand beeinflußt wird.

7* Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangerspule (L1) zusammen mit einem Kondensator (01) den Schwingkreis des LC-Oszillators bildet und im Basiskreis des ersten Transistors (TI) ein weiterer Widerstand (R2) angeordnet ist, der den Schwingkreis (L1, 01) stark dämpft.

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