DE2021102C3 - Induktiver Meßumformer zum berührungslosen Registrieren von Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Meßumformer zum berührungslosen Registrieren von Gegenständen mit einer Sende- und einer Empfängerspule, die zu beiden Seiten der Bewegungsbahn der zu registrierenden Gegenstände angeordnet in einem Rückkopplungszweig eines Signalgebers liegen, der als ständig mit niedriger Amplitude schwingender LC-Oszillator ausgebildet ist und bei Anwesenheit eines zu registrierenden Gegenstands wegen dsr dann geänderten Schwingkreiseigenschaften mit hoher Amplitude schwingt.

Ein derartiger induktiver Meßumformer isi im Grunde genommen ein Übertrager, bei dem die induktive Kopplung durch den zu registrierenden Gegenstand geändert wird. Mit der Änderung der

ίο Sekundärspannung dieses Übertragers lassen sich leicht mittelbar oder unmittelbar elektrische Schalter betätigen und somit beispielsweise auch elektrische Zähleinrichtungen foitschalten. Induktive Meßumformer eignen sich insbesondere zum Erkennen von

Gegenständen, die ganz oder teilweise eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, also ganz oder teilweise aus Metall bestehen. Sie eignen sich aber ebenso zum Erkennen von Gegenständen, die ganz oder teilweise eine gute magnetische Leitfähigkeit besitzen,

so wie z.B. Ferritkörper. Während beim Einführen eines magnetisierbaren Körpers in den induktiven Meßumformer die induktive Kopplung verbessert wird, wird sie beim Einführen eines Körpers mit guter elektrischer Leitfähigkeit durch die in ihm auftretenden Wirbelströme geschwächt.

Auf jeden Fall ändert sich also durch einen zu registrierenden Gegenstand die induktive Kopplung zwischen Sende- und Empfängerspule. Die sich daraus ergebende Änderung der elektrischen Spannung

der Empfängerspule läßt sich mittelbar oder unmittelbar dazu benutzen, elektrische Schalter zu betätigen. Der induktive Meßumformer kann nun als Signalgeber z. B. einen LC-Oszillator enthalten, dessen Schwingkreisinduktivität die Empfänger- oder Sende-

spule bildet. Darüber hinaus ist es bekannt, die Sende- und Empfängerspule in einem Netzwerk anzuordnen, das einen Rückkopplungszweig vom Ausgang zum Eingang des Signalgebers bildet.
Wie alle Oszillatoren hat aber auch ein LC-Oszillator als Signalgeber den Nachteil, daß sein Anschwingvorgang nur durch eine Störung auslösbar ist. Deshalb schwankt der Zeitpunkt des Anschwingens eines üblichen selbstschwingenden Meßumformers entsprechend dem Eigenrauschen der Schaltung statistisch. Diese Schwankungen beeinträchtigen die zeitliche Genauigkeit des Meßumformers.

Die Erfindung geht nun von der Überlegung aus, daß sich der dadurch bedingte Meßfehler unterdrücken läßt, wenn der LC-Oszillator derart betrieben ist, daß er ständig wenigstens mit einer niedrigen Amplitude schwingt, also beim Eintreten eines Meßereignisses nicht erst aus dem Eigenrauschen anschwingen muß.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, mit geringem schaltungstechnischen Aufwand einen induktiven Meßumformer zum berührungslosen Registrieren von Gegenständen zu schaffen, dessen Signalgeber ständig schwingt und zwei stabile Schwingungszustände besitzt, die eindeutig voneinander unterscheidbar sind. Zu diesem Zweck soll die Schwingungsamplitude im Ruhezustand nur etwa so groß sein, daß die Schwingung mit Sicherheit nicht abreißt. Außerdem soll die Einschwingzeitkonstante und daraus sich ergebend die Signalverzögerung durch den Signalgeber möglichst klein und unabhängig von Exemplarstreuungen gut reproduzierbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Meß-

umformer zum berührungslosen Registrieren von Die

Gegenständen mit einer Sende-und einer Empfänger- der zwischen p _zusammen den

spule, die zu beiden Seiten der Bewegungsbahn der Oszillators Schall* ιΛ^"^^ ist nun

zu registrierenden Gegenstände angeordnet in einem Schwingkreis des "^s^^Iat°^ ; _ßer Amplitude

Rückkopplungszweig eines Signalgebers liegen, der 5 so ausgelegt Λ B er nur dann ζ ^ _£mp.

als ständig mit niedriger Amplitude schwingender schwingt wenn sichm ScM ^ ₂ ^^ _Da

LC-Oszillator ausgebildet ist und bei Anwesenheit fangerspule L 1 ^un^f ^"^α £ _anschwingt, wenn

eines zu registrierenden Gegenstands wegen der dann aber ein solcher O ^z™ _{kt der Ze}it_Punkt des

geänderten Schwingkreiseigenschaften mit hoher eine Störung ^auf^ S"_{em Ei}genrauschen der

Amplitude schwingt, erfindungsgemäß gelöst durch » Anschwmgens ensprechend * -^ _würden

ein weiteres, amplitudenabhängiges Rückkopplungs- Schaltung statistisch. u»»esc _ßumformers in

netzwerk zwischen Ausgang und Eingang des die ^zeithcnf_r. ^f^? beeinträchtigen. Um

LC-Oszillators, das derart ausgebildet ist, daß es im einem unzulässige η Aus ma ^ _{ein weitercs}

Sinne einer Mitkopplung dessen ständiges Schwingen dies zu vermeiden bes'tz^ae _litudcnbegrenaufrechterhält und durch ein Gegenkopplungsnetz- t₅ ^W^*"*^*^ ^d nun erreicht, daß

werk zum Stabilisieren des Einschwingverhaltens des «nd ausgeführt ist Dadujcn _Amplitude

LC-Oszillators unabhängig von Exemplarstreuungen der ^ösz'^1!a*°' ^™'!^ _{der itl} der Empfänger-

mit Hilfe einer konstant gehaltenen Verstärkung. schwingt. Eine _ änderung _{sich desha]b}

Der erfindungsgemäße induktive Meßumformer spule L1 induaerte^^nu |> _Anschwi„gvorgangs

enthält also einen Signalgeber, der neben einem an so nur um die ^.Ikonstame _{iUatoIS aus}.

sich bekannten Rückkopplungsnetzwerk über die verzögert ^^^^ _{daß der} Oszillator zwei

Sende- und Empfangerspule zwei weitere Ruckkopp- .^Df''_n^Ä· J^{e nachdem>} ** -

lungsnetzwerke besitzt: . ^T^lcS an sdnem Empfangsorgan vorbei-

AIs Mitkopplung wirkt das amphtudenabhangige gerade ein Sch itz absein_{e s}£_hwingungszust_ande

Rückkopplungsnetzwerk, das dafür sorgt daß die a₅ bewegt odenicht Diese ζ ^ _Oszil)ators

Schwingung des LC-Osziilators nicht abreißt auf der werden durch eman den ^J _{sw bewcrtc}t,

anderen Seite aber diese Schwingungsampl.tude im angeschlossene bchwe ^ _Ausgangs.

Ruhezustand begrenzt. Das Gegenkopplungsnetzwerk d,e dann durchßeschaUet _f ^ _großer

erniedrigt die Gesamtverstärkung des Signalgebers signal Ua abgibt, vvenn aer

und macht ihn damit unabhängiger von Jen elektri- 30 ^Α™Ρ^1ι1"^α.^ε _η^"!!.¹ _ΟΙ._{αηι)ηί; des} Meßumformers wird sehen Eigenschaften seiner einzelnen Bauelemente. Die ^&£altuⁿ^ _{dcr Fig}. _{2 da}r-Dies gilt auch im Hinblick auf Exemplarstreuungen aun im ^folg^en^^{n a}" ™™ _näher erläutert. Den in der Einschwingzeitkonstante. Insgesamt steht da- f?^ s™ia^te«e η ^ _β mit ein Meßsystem zur Verfugung, dessen Meßwerte Scnwingkreis des ^ⁿ^°" _des Verstärkers V bei nur geringer Signalverzögerung auch besser als ₃₅ spule L 1 un,^ Jr ^{an de}^f ™ 8 |_{wischen beide ist} bisher reproduzierbar sind. Weiterbildungen der Er- angeschaltete Ko"«"^⁰^, _{der die} Schwingkre.sfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. ein Widerstand«²^SCh³IWt, _zeitkon-Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im 8»« ^"gJj₁K ¹^^n gehalten werden, außerfolgenden ein Amführungsbeispiel an Hand ^de' ^"^^ J^ Spule tuch nur einen geringen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt 40 dem hat die: Oute aer^p ^ ^ _Schwing_ F i g. 1 "schematisch dargestellt das Blockschaltbild Einfluß. Erwähnenswert w^ _45O__{Verstimmung b}eeines erfindungsgemäßen Detektors Sehen wird 'um die notwendige Phasendrehung des F i g. 2 den dazu gehörigen Stroml auf plan und ncoen w.rd urn αι ^ ^ _{zu erbalten} F i I. 3 in schematisier Darstellung die mecha- übe·· L 2, " ^zu™?^Kg _als ?_weistufiger Verstärker aus nische Anordnung eines Senders und eines Empfan- 45 Der Verstärke^ st a ^ _{aufgebaut Da}. gers für einen induktiven Meßumformer, deren den beide^n ™^^torc _Transistors Γ1 m.t dem Sputen L 1 und L 2 eines der beiden Rückkopplungs- ^e^st die Bas.s des ers ^ ^^ _{der E lter} netzwerke des Oszillators bilden ^Sl und d« Kollektor über den Kollektonvider-Durch den Meßumformer soll die Lage von be- geerdet undl aer Versorgungsspannung + Ub wegbaren Gegenständen registriert werden In dem 50 stand Ä 3 an P^os>^tive £_an ^S _sistors T 2 ist an hier gewählten Ausführungsbeispiel stellt eine in f'^e^_o ^D^" ^_{5 erst}en Transistors T1 angeschlos-

SSÄ

fangsorgan des Meßumformers enthält im wesent- Widerstand R 4 vervollstanaigi wuu, u^· « -

lichen eine Empfängerspule L 1. Diese und eine wei- sehen den Emitter des zweiten Transistors und die tere Spule, die als Sendespule L 2 ausgebildet ist, 6o Basis des ersten Transistors geschaltet ist. Parallel zu bilden zusammen ein Rückkopplungsnetzwerk d<*s diesem Widerstand R 4 liegt ein weiterer Widerstand LC-Oszillators. Beide Spulen sind miteinander induk- R 9, der als Abgleichwiderstand dient. Dieses Gegentiv gekoppelt. Durch die zwischen ihnen rotierende kopplungsnetzwerk ist so dimensioniert, daß die VerSchi itzscheibe SS wird der Kopplungsfaktor ver- Stärkung des gesamten Oszillators weitgehend konändert, da die Schutzscheibe SS eine gute elektrische 65 stant bleibt.

Leitfähigkeit besitzt und die Kopplung stark dämpft, Außerdem besitzt der Oszillator erfindungsgemäß

so lange kein Schlitz dieser Scheibe an dem Emp- ein Rückkopplungsnetzwerk RN. Dazu ist der KoI-

fangsorgan des Meßumformers vorbeigeführt wird. lektorwiderstand R 7 des zweiten Transistors T 2 mit

einem weiteren Widerstand R 1 verbunden, dessen scheibe zwischen Sender und Empfänger bewegt, so zweiter Anschluß an dem Verbindungspunkt zwi- wird dadurch das stark gebündelte Magnetfeld verschen der Empfängerspule L 1 und dem Widerstand ändert. Ein zwischen Sender und Empfangsorgan R 2 liegt. Um dieses Rückkopplungsnetzwerk RN vorbeigeführter Schlitz beeinflußt das Magnetfeld amplitudenabhängig auszubilden, sind an den Ver- 5 nicht, dabei erhöht sich die Kopplung zwischen den bindungspunkt der beiden Widerstände R 1 und R 7 beiden Spulen L1 und L 2. In der Empfängerspule zwei parallelgcschaltete, aber entgegengesetzt gcpolte L 1 wird eine höhere Spannung induziert, die aus-Begrenzerdioden Dl, Ό2 angeschlossen, die mit reicht, den Oszillator mit einer so hohen Amplitude ihren anderen Anschlüssen an der positiven Vcrsor- schwingen zu lassen, daß die Schwellenwertschaltung gungsspannung + Ub liegen. Auf Grund der Dirnen- io SW durchgeschaltet wird.

sionierung dieses Rückkopplungsnetzwerks RN wird Diese Schwellenwertschaltung SW besteht aus die an den Begrenzerdioden Dl, D 2 liegende Wech- einem weiteren Transistor 7 3, der in Emitter-Basisselspannung über den Widerstand R 1 und den Schaltung betrieben wird und einen Basiswiderstand Schwingkreis so zurückgekoppelt, daß die Oszillator- R 8 besitzt, der an dem Verbindungspunkt des Spanamplitude unter der Ansprechschwclle der Schwel- 15 nungsteilcrs RS, R 6 angeschaltet ist. Im Ruhelenwertschaltung SW liegt. Außerdem besitzt der zustand des Oszillators, das heißt, so lange er mit Oszillator ein weiteres Rückkopplungsnetzwerk. Es kleiner Amplitude schwingt, liegt an dem Widerbcslcht aus einer im Sender des Meßumformers an- stand R 6 des Spannungsteilers im Emitterkreis des geordneten Sendespule L 2, die zwischen den Kollek- zweiten Transistors eine Gleichspannung und eine tor des zweiten Transistors T 2 und positive Versor- 20 kleine überlagerte Wechselspannung, bei der der gungsspannung + Ub geschaltet ist und aus der Transistor T 3 noch sicher gesperrt bleibt. Schwingt Empfängerspule Ll, die die Schwingkreisinduktivi- dagegen der Oszillator mit voller Amplitude, dann tat darstellt und in dem Empfangsorgan des Meß- steigt die der Gleichspannung überlagerte Wechselumformers angeordnet ist. Die Werte der Sendespule spannung am Widerstand R 6 auf einen Wert an, bei L 2 und des Emitterwiderstands R 7 der zweiten Ver- 35 dem der Transistor 73 periodisch durchschaltet. Die stärkerstufe bedingen eine bestimmte Phasendrehung Schwellenwertschaltung SW gibt in diesem Fall ein des rückgekoppelten Signals, die zusammen mit der großes Ausgangssignal Va ab, das durch einen par-Verstimmung des SchwingkreisesLl, Cl ausreicht, allel zur Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors um die Phasenbedingung am Eingang des Verstärkers T 3 geschalteten Kondensator C 2 gesiebt wird.
zu erfüllen. Die mechanische Anordnung von Sende- 30 Die Erfindung wurde an Hand eines Ausführungsund Empfängerspule geht aus der F i g. 3 hervor, die beispiels beschrieben, sie beschränkt sich aber nicht den Sender und das Empfangsorgan eines induktiven auf die Anwendung bei induktiven Meßumformern. Meßumformers schematisch zeigt. Der Sender ent- Sie ist vielmehr allgemein bei Meßumformern für hält die Sendespule L 2, die einen Magnetkern K 2 bewegbare Gegenstände mit Vorteil dann anwendbar. besitzt und von einem magnetischen Abschirmtopf AT 35 wenn es auf eine hohe Genauigkeit der Lage des zu umgeben ist. Auf der dem Empfangsorgan gegenüber- registrierenden Gegenstands ankommt. Dabei kann liegenden Fläche sind der Magnetkern K 2 der Sende- ein solcher Gegenstand nicht nur durch die veränderspule L 2 und deren Abschirmtopf AT durch Isolier- liehe Kopplung zwischen zwei Spulen festgestellt stoffplättchen / voneinander isoliert. Diese Ausbil- werden. Es ist auch durchaus denkbar, daß durch dung des Senders ermöglicht eine starke Bündelung 40 den zu registrierenden Gegenstand Schwingkreisdes Magnetfelds zwischen der Sendespule L 2 und der eigenschaften geändert werden, dadurch, daß det mit ihr gekoppelten Empfängerspule LI, die einen Schwingkreis z. B. durch einen festzustellender Magnetkern K1 besitzt. Wird nun, wie in dem ge- Gegenstand stärker gedämpft wird oder socar die wählten Ausführungsbeispiel, eine rotierende Schlitz- Kapazität des Schwingkreises verändert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Induktiver Meßumformer zum berührungslosen Registrieren von Gegenständen mit einer Sende- und einer Empfängerspule, die zu beiden Seiten der Bewegungsbahn der zu registrierenden Gegenstände angeordnet in einem Rückkopplungszweig eines Signalgebers liegen, der als ständig mit niedriger Amplitude schwingender LC-Oszillator ausgebildet ist und bei Anwesenheit eines zu registrierenden Gegenstands wegen der dann geänderten Schwingkreiseigenschaften mit hoher Amplitude schwingt, gekennzeichnet durch ein weiteres, amplitudenabhängiges Rückkopplungsnetzwerk (RN) zwischen Ausgang und Eingang des LC-Oszillators, das derart ausgebildet ist, daß es im Sinne einer Mitkopplung sein ständiges Schwingen aufrechterhält und durch ein Gegenkopplungsnetzwerk (R 5, R 6, R 4) zum Stabilisieren des Einschwingverhaltens des LC-Oszillators unabhängig von Exemplarstreuungen durch konstant gehaltene Verstärkung.

2. Induktiver Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängerspule (L 1) zusammen mit einem Kondensator (C 1) einen durch einen in Reihe liegenden Widerstand {R 2) stark gedämpften Schwingkreis des LC-Oszillators bildet.

3. Induktiver Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Oszillator einen aus Transistiren (71, 7 2) aufgebauten zweistufigen Verstärker in Emitter-Basis-Schaltung enthält, daß für die amplitudenabhängige Rückkopplung ein Kollektorwiderstand (R 7) des zweiten Transistors (7 2) und ein Basiswiderstand (R 1) des ersten Transistors (71) miteinander verbunden und über zwei parallelgeschallete, aber entgegengesetzt gepolte Begrenzerdioden (D 1, D 2) an Versorgungsspannung (+ Ub) gelegt sind und daß der Emitter des zweiten Transistors (7 2) über einen weiteren Widerstand (R 4) mit der Basis des ersten Transistors (71) verbunden ist.

4. Induktiver Meßumformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des LC-Oszillators eine Schwellenwertschaltung (SW) angeschlossen ist, die dann durchgeschaltet wird, wenn der Oszillator mit großer Amplitude schwingt.

5. Induktiver Meßumformer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter-Widerstand des zweiten Transistors (7 2) als Spannungsteiler (R 5, R 6) ausgebildet ist, an dessen Verbindungspunkt über einen weiteren Widerstand (R 8) die Basis eines dritten Transistors (7 3) angeschlossen ist, zu dessen Emitter-Kollektor-Strecke ein Glättungskondensator (C 2) parallel liegt.