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Beschreibung zum Patentgesuch betreffend: 11Annäherungsdetektor" Die
Erfindung betrifft einen Annäherungsdetektor. Derartige Annäherungsdetektoren finden
vielfach Anwendung, um die Position von Gegenständen - beispielsweise beweglichen
Metallmassen an Maschinen - zu erfassen. Bekannt sind Anhäherungsdetektoren mit
einem LC-Schwingkreis, der be einer Transistor-Oszillator-Schaltung schwingt und
dem bei Annäherung von Metallmassen dadurch Energie entzogen wird, daß das magnetische
Wechselfeld der Spule in den Metallmassen Wirbel ströme und Ummagnetisierungen -
bei ferromagnetischen Materialien -hervorruft, mit dem Ergebnis, daß die Schwingungsamplitude
verringert wird. Die Schwingungsamplitude dient also als Maß für die Annäherung
einer Masse. Die Amplitude wird dadurch erfaßt, daß die Hüllkurve der Schwingung
durch Demodulation und Filterung in eine Gleichspannung überführt wird, deren Höhe
gemäß einer bestimmten nichtlinearen Funktion von dem Abstand zwischen dem Detektor
und der Metallmasse abhängt. Bei den bekannten Detektoren dient diese Gleichspannung
zum Triggern
einer Kippschaltung, die bei Erreichen des sogenannten
Schaltabstandes durch die Metallmasse infolge Unterschreitens der einstellbaren
Triggerschwelle durch de Gleichspannung ausgelöst wird. Verallgemeinert ausgedrückt,
umfaßt also der bekannte Annäherungsdetektor ein entdämpftes.schwingendes System,
dem durch die Annäherung eines Gegenstandes Energie entziehbar ist, und ein Auswertsystem
zur Erfassung der Schwingungsamplitude des Systems. Es versteht sich, daß auch der
Kondensator des Schwingkreises etwa dielektrisch bedämpft werden könnte, und daß
das Schwingsystem auch aus einem mechanischen Oszillator bestehen könnte.
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In der geschilderten Form ersetzen die Annäherungsdetektoren zunehmend
mechanische Endschalter, denen gegenüber sie eine Anzahl von Vorteilen aufweisen,
insbesondere Entfall mechanischen Verschleißes und höhere Schaltgeschwindigkeit;
die letztere ist allerdings gewissen Beschränkungen unterworfen, wie später noch
zu erläutern ist.
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Diese bekannten Annäherungsdetektoren weisen bestimmte Nachteile
auf. Zunächst ist ihre Funktion temperaturabhängig, das heißt, der Schaltabstand
schwankt mit der Temperatur; ferner erlauben sie nicht, eine Aussage über die Position
der Masse jenseits oder diesseits des Schaltabstandes zu machen; wenn mehrere Punkte
der Bewegungsbahn der Masse zu ermitteln sind, hilft man sich deshalb damit, daß
mehrere solcher Detektoren mit abgestuften Schaltabständen vorgesehen werden (der
Schaltabstand läßt sich beispielsweise für jeden einzelnen Detektor mittels eines
Trimmers an dem Kippkreis einstellen). Dies bringt allerding-s die Gefahr induktiver
Kopplung zwischen benachbarten Detektoren unddit Instabilität mit sich. Und schließlich
ist die Schaltgeschwindigkeit abhängig von der Annäherung der Masse selbst. Da nämlich
der
Schwingkreis nur schwach rückgekoppelt ist, um eine möglichst gute Stabilität zu
erhalten, setzt er in der Regel mit den Schwingungen aus, wenn einmal der Schaltabstand
durch die Masse um einen gewissen Weg unterschritten ist. Infolgedessen ist für
das Wiederanschwingen Es zur Nennamplitude eine umso größere Zeit erforderlich,
je näher die bedämpfende Masse dem Detektor noch liegt, da die Verluste in ihr nach
wie vor vom nur schwach angekoppelten Oszillator aufgebracht werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Annäherungsdetektor
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem die Annäherung eines bedämpfenden
Körpers direkt numerisch erfaßbar ist, der eine von der Annäherung selbst unabhängige
und gegenüber den bekannten Detektoren vergrößerte Schaltgeschwindigkeit aufweist,
und dessen Funktion von der Temperatur nur geringfügig oder gar nicht beeinträchtigt
wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Annäherungsdetektor mit einem schwingenden
System geringer Eigendämpfung, dem durch die Annäherung eines Gegenstandes Energie
entziehbar ist, und mit einem Auswert system zur Erfassung der Schwingungsamplitude
des Systems gelöst durch eine Anregeeinrichtung für das System, die diesem periodisch
eine definierte Anfangsenergie zuführt, und durch eine Zähleinrichtung zur Erfassung
der Anzahl der Schwingungsperioden in jedem Anregungsintervall, deren Amplituden
zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten liegen. Damit ergibt sich- folgende Wirkungsweise:
Sobald dem Schwingungssystem der definierte Anfangsenergiebetrag zugeführt worden
ist, der eine proportionale Anfangsamplitude hervorruft, klingen die Schwingungen
gemäß den jeweils vorliegenden
Dämpfungsverhältnissen ab, lDis
der nächte Anstoß erfolgt. Das Abklingen erfolgt nach einer Exponentialfunktion,
und je stärker das System bedämpft ist, desto scImeller klingen die Schwingungen
ab. Die Frequenz des Systems wird durch die D-edämpfung in erster Näherung nicht
:nerkbar verändert, wohl aber die Höhe der Schwingungsamplituden. Der Zeitraum,
innerhalb dem die Schwingungsamplituden von einem ersten vorgegebenen tert auf einen
zweiten, ebenfalls vorgegebenen Wert abgefallen sind, ist nithin ein 4aß für die
Dämpfung und dainit auch ein Maß für den Abstand der dämpfenden Masse von den Schwingungssystem.
un braucht man aber für die Zeitmessung keinen besonderen Aufwand zu treiben, weil
sie hereits durch die Schwingung gequantelt ist; es genügt mithin, die Zahl der
Schwingungsperioden innerhalb dieses Intervalls zu zählen. An dieser Stelle ist
also bereits eine Analog-Digital-Wandlung erfolgt. Vorteilhafterweise wird als oberer
Amplitudengrenzwert diejenige Amplitude gewählt, auf die das Schwingungssystem bei
der Anregung ausgelenkt wird, da dann der Anregungsimpuls zugleich als Entsperrung
für die Zähleinrichtung wirksam gemacht werden kann. Je größer die Zahl der Schwingungsperioden
ist, die dann noch bis zum Abklingen der Amplituden auf einen unteren Grenzwert
erfolgen, desto schwächer ist die Bedampfung, und desto weiter ist die dämpfende
Masse (noch) entfernt. Man erhält also nach entsprechender Eichung direkt eine numerische
Entfernungsanzeige, die periodisch (nach jeder neuen Anregung) korrigiert wird.
Das Verhältnis der Periodendauern von Meßschwingung und Anregungsimpulsfolge muß
so gewählt werden, daß die Schwingung ohne äußere Bedämpfung bereits innerhalb der
Anregungsperiode bis unter den unteren Amplitudengrenzwert abklingen kann; das Verhältnis
ist somit bestimmt durch die Güte des Meßschwingsystems.
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Arbeitet man mit einem LC-Schwingkreis, der für eine Frequenz von
beispielsweise 1 MHz ausgelegt ist, so ist selbst bei höchster Schwingkreisgüte
eine Anregungsipulsfolgefrequenz von höher als 5 KHz möglich, so daß alle 0,2 Millisekunden
eine Messung erfolgt.
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Da das Schwingungssystem praktisch innerhalb einer Periodendauer der
Meßscllwingungssystemfrequenz meßbereit ist, ergeben sich nicht die oben erwähnten.
Nachteile durch das langsame Anschwingen wie bei den herkömmlichen Annäherungsdetektoren.
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Bei einem LC-Schwingkreis als Meßschwingsystem kann man die Anregung
mit einem sehr einfachen Aufbau bewirken, nämlich mit einem Relaxationsoszillator,
in dessen Entladestromkreis der LC-Schwingkreis liegt. Dies hat den Vorteil, daß
beim Ausschwingen der LC-Schwingkreis praktisch vom Anregungsoszillator entkoppelt
sein kann, so daß die Eigendämpfung nur noch durch die nachgeschaltete Zählanordnung
gegeben ist, welche entsprechend hochohmig angepaßt werden kann, damit die Empfindlichkeit
-gegenüber äußeren, bedämpf enden Massen hoch ist. Es ist zu bevorzugen, die Anregungs-Pulsfolgeperiodendauer
etwa 1,5 mal so groß zu wählen, wie die Summe der Meßschwingungsperioden, deren
Amplituden bei ungedämpftem Schwingkreis oberhalb der unteren Grenzamplitude liegen,
damit bei neuerlicher Anregung der Relaxationsoszillator nicht durch den noch schwingenden
Meßschwingkreis gestört werden kann. Als Schaltelement für den Relaxationsoszillator
kommen die üblichen Schaltelemente in Betracht, im einfachsten Fall eine Glimmlampe,
aber auch Unijunction-Transistoren, Vierschichtdioden oder auch spezielle Ausführungsformen
von Rechteckgeneratoren mit extrem niedrigem Schaltverhältnis. Bedingung ist, daß
mindestens näherungsweise die bei der stoßweisen Entladung auf den SChwingkreis
Lbertragene Energie konstant ist, was bei Entladung eines aus einer Gleichstromquelle
aufgeladenen Kondensators leicht erreichbar ist, vorausgesetzt, das Entladeschaltelement
hat eine ziemlich konstante Zündspannung. Diese Voraussetzung ist beispielsweise
bei einer Vierschichtdiode gegeben. Schwankungen der Versorgungsspannung beeinflussen
dann zwar die PulSolgefrequenz der Anregung, doch ist dies in der Anwendung kaum
störend, da höchstens die höchste Schaltfrequenz geringfügig herabgesetzt wird.
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Sowohl die Anregungsspannung als auch der nachgeszhaltete Amplitudendetektor
mit Triggerschwelle können an eine Anzapfung der Schwingkreisspule gelegt werden;
die erstere, um eine gewisse (transformatorische) Spannungsüberhöhung zu erzielen,
der letztere, um eine optimale Impedanzanpassung vorzusehen. Je nach der Einstellung
der Triggerschwelle können beispielsweise von einer Maximalamplitude von 50 V55
bis zum Abklingen der Schwingung auf 1 Vss ohne äußere Bedämpfung beispielsweise
100 Perioden der Meßschwingkreisfrequenz vergehen; einer Impulszählung von 100 entspricht
dann der Abstand der dämpfenden Masse "Unendlich".
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Bei entsprechender Einstellung kann erreicht werden, daß dann bei
Abstand "Null" (dämpfende Masse berührt den Detektor) nur ein einziger Impuls -
nämlich der Anregungsimpuls - erfaßt wird, und durch geeignete und an sich bekannte
Schaltungsmaßnahmen läßt sich dieser eine Impuls unterdrücken. Dazwischen liegen
die übrigen Werte, und es ist leicht einzusehen, daß die Eichung nicht linear ist.
Eine Linearisierung läßt sich aber mit an sich bekannten Schaltungsmaßnahmen verwirklichen.
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Es sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich nicht unbedingt
eine Zähleinrichtung mit numerischem Ausgang vorgesehen sein muß; selbst wonn eine
Spitzengleichrichtung mit nachgeschaltetem Integrator bietet gegenüber herkömmlichen
Annäherungssdetektcren noch den Vorteil geringeren Aufwands.
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Zur Steuerung von Maschinen, bei denen in einer hestimmten Position
irgendeines Maschinenteils ein Schaltimpuls abgegeben werden soll, eignet sich die
erfindlngsgemäße Ausbildung, wenn eine Zündeinrichtung für einen Triac oder dergleichen
nachgeschaltet wird. Auf diese Weise lassen sich einfache Thyristor-Zündanlagen
für Kraftfahrzeuge schaffen, wobei der Zündzeitpunkt durch die Annäherung eines
Metallnockens an einen kleinen Meßkopf der beschriebenen Art gegebenen.
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Schließlich kann ein Amplitudendetektor nachgeschaltet werden, etwa
in Form eines Schmitt-Triggers, mit dessen Hilfe alle über sein unteren Grenzwert
liegenden Amplituden in Rechteckimpulse imgeformt werden. Es entsteht also ein Folge
von Rechteckimpulsen, deren Anzahl eine inverse Funktion der Schwingkreisbedämpfung
ist. Zur Auswertung kann man einen wiedertriggerbaren monostabilen Miltivibrator
nachschalten, der einen einzigen Impuls mit einer Impulsanzahl am Schmitt-Trigger-Aus
gan, proportionalen Dauer abgibt; dieser kann in an sich bekanter Weise mit einem
Standardimpuls konstanter Dauer verglichen werden, wobei die Differenz für Regelzwecke
zur Verfügung steht. Gegenüber herkömmlichen Annäherungsdetektoren ergibt sich eine
weit erhöhte Schaltfrequenz, und der Schaltabstand kann wesentlich näher sein.
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Die Rechteckimpuisfolge kann aber auch direkt über den Schiebetakteingang
eine Schieberegister zugeführt werden. Der Schalt zustand der einzelnen Pegisterelemente
kann digital angezeigt werden, mit Lampen optisch sichtbar gemacht werden, oder
man kann einen oder mehrere vorgegebene und umschaltbare Ausgänge abfragen. Auf
diese Weise können mit einem einzigen Annäherungsdetektor mehrere Schaltpunkte festgelegt
werden. Auch ist eine grobe Liniearisierung bereits durch die Auswahl von Ausgängen
des cchieheregistern möglich.
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die Rechteckimpulsfolge kann schließlich in einen ler, beispielsweise
in BCD-Code, eingegeben werden. Der Zählerstand wird über Zwischenspeicher, Decodierer
und Treiber numerisch angezeigt. Es kann dabei ein Festwertspeicher zwischengeschaltet
werden, um die Funktion m (Zahl der Perioden mit Amplituden im Erfassungsbereich)
- f (d), mit "d" als dem Abstand zwischen Detektor und dämpfender Masse,. zu linearisieren.
Es ist
dann möglich, die Anzeige zu kalibrieren, zweclanäßig so,
daß der Zähler stand Z =dlmm3 innerhalb des Meßbereichs von a = 0 bis dmax ist.
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Andere Schaltungsvarianten sind dem Fachmann aufgrund obiger Ausführungen
leicht möglich, so daß auf eine weitere Erläuterung von Ausführungen und Anwendungen
hier verzichtet werden kann, bei denen das Erfindungsprinzip Vorteile bietet.
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Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt halb schematisch den Stromlaufplan eines Annäherungsdetektors
gemäß der Erfindung; Fig. 2 stellt das Blockschaltbild eines kompletten Geräts mit
numerischer Abstandsanzeige dar, und -Fig. 2 ist ein Puls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung
der Schaltung nach Fig. 2.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in den Meßkopft des detektors
ein LC-Schwingkreis, bestehend aus der Induktanz 4 und dem Kondensator 5 eingebaut;
der Schwingkreis wird durch einen noch zu beschreibenden Mechanismus zu gedämpften
Schwingungen der Frequenz fK angeregt. Die Induktanz 4 kann beispielsweise einen
Ferrtikern in sogenannter Halbschalenform umfassen, von den ein etwa keulenförmiges
magnetisches Streufeld ausgeht.
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Ein Metallkörper, der in dieses Treufeld gelangt, bedämpft den Schwingkreis,
und zwar umso mehr, je näher er dem Kern konnt.
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Sm Extremfall, wenn nämlich der Metallgegenstand den Kern berührt,
soll nur noch ein einziger Schwingungszug auftreten, nämlich der des Anregungsstromstoßes.
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Der Anregungsstromstoß wird mittels eines Lade-Entlade-Schaltkreises
erzeugt, bestehend aus dem Ladewiderstand 3, dem Ladekondensator 2, welcher über
den Widerstand 3, der an der Betriebsspannung UB liegt, aufgeladen wird, und einem
Entladesteuerorgan 1, in diesem Fall eine Silizium-Vierschichtdiode.
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Sobald die Spannung am Kondensator 2 die Zündspannung (Uz < UB)
der Vierschichtdiode 1 erreicht hat, wird er stoßartig über die Diode l und den
Schwingkreis 4, 5 entladen. Dabei kann kurzzeitig ein erheblicher Strom Von mehreren
Ampere fließen, während der Mittelwert des Ladestroms nur einige Milliampdre beträgt.
Nach Entladung des Kondensators 2 kann der Schwingkreis 4, 5 ausschwingen, wobei
er nur durch seine Eigenverluste, den (hohen) Sperrwiderstand der Diode 1 und den
Eingangswiderstand der nachfolgenden Schaltkreise bedämpft wird, solange keine äußere
Bedämpfung durch Metallmassen in der Axialerstreckung des Halbschalenkerns erfolgt.
Die Bedämpfung durch die Diode 1 und die nachfolgenden Schaltkreise wird durch entsprechend
bemessene Ankopplung an Anzapfungen der Induktanz 4 so klein wie möglich gehalten.
Die Frequenz fp der Sägezahnschwingungen für die Anregung hängt von der Betriebsspannung
UBt dem Widerstand 3, dem Kondensator 2 und der Zündspannung der Vierschichtdiode
1 ab.
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Der nachgeschaltete Amplitudendetektor, ein als Schmitt-Trigger geschalteter
Operationsverstärker 6 mit hochohmigem Eingang 13, erhält über den Widerstand 9
eine einstellbare Referenzspannung, durch die zusammen mit der Hysterese, hervorgerufen
durch die positive Rückkopplung über den Widerstand 10, der Schwellenwert des Amplitudendetektors
festgelegt ist.
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Am Ausgang des Operationsverstärkers 6 erscheint nun für jeden gedämpften
Schwingungszug des Schwingkreises 4, 5 eine Kette von Rechteckimpulsen, deren Anzahl
zum von der Dämpfung des Schwingkreises abhängt.
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Aus der Rückflanke der erzeugten Sägezahnschwingung wird über einen
Differenzierschaltkreis 11, 12 ein Rücksetzsignal gewonnen zur Schaffung einer definierten
Anfangsbedingung für die nachfolgenden Auswerteschaltkreise.
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des gesamten Induktiven Annäherungsdetektors
mit digitalen Schaltkreisen zur Weiterverarbeitung und Linearisierung der Impulskette
m zwecks Ausgabe und Anzeige der Entfernung eines (in den Maßen und dem Material
bekannten) metallischen Objektes vom Meßkopf.
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Als Anfangsbedingung gelte ein über die Rücksetzleitung 28 in Nullage
gebrachter 2-Dekaden-BCD-Zähler 17. Das Rücksetzsignal wird aus dem Differenzierschaltkreis
18 (in Fig. 1: Elemente 11, 12) gewonnen. Damit wird auch der Anregungsimpuls aus
dem Schaltkreis 14 unterdrückt, da die Rücksetzeingänge des Zählers 17 Vorrang vor
dem Zähleingang 13 haben. Der Zähler 17 summiert nun die aus dem Schmitt-Trigger
(in Fig. 1: Elemente 6 - 10)16 einlaufenden Impulse 31 (s. Fig. 3), die durch die
gedämpfte Schwingung 30 des LC-Schwingkreises 15-(in Fig. 1: Elemente 9, 5) angeregt
durch die Stromstöße des Relaxationsoszillators 14, erzeugt werden. Alle über dem
Schwellenwert 29 liegenden Amplituden der gedämpften Schwingung 30 erreichen den
Zähleingang lS, so daß der Zähler nach Beendigung der Meßperiode den Zählerstand
m = f (d) hat.
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Das Signal 28 aus dem Differenzierschaltkreis 18 erzeugt über zwei
monostabile Multivibratoren 20 und 21 einen verzögerten Takt 33. Die Verzögerungszeit
32 ist groß genug, daß die gedämpfte Schwingung 30 inzwischen zur Ruhe gekommen
ist.
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Mit dem Takt 33 wird der Zählerstand in ein Register 19 übernommen
und dem Festwertspeicher 22 zugeführt. Um Laufzeitunterschiede auszuschließen, die
das Meßergebnis kurzzeitig verfälschen könnten, ist dem Festwertspeicher 22 ein
weiteres Register 24 nachgeschaltet, das die Informationen aus dem Festwertspeicher
22 mit dem aus dem monostabilen Mulitvibr«pr kommenden Takt 34 übernimmt. Die Daten
am Ausgang 27 des Registers 24 können digital weiterverarbeitet werden oder über
Dekodierer, Treiber und Anzeigeeinheiten 25 und 26 angezeigt werden.
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Trotz der hohen Amplituden- und Frequenzstabilität des Oszillators,
bestehend aus den Blöcken 14, 15 kann bei extremen Anforderungen an die Meßgenaugigkeit
eine Temperaturkompensation nötig sein. Sie wurde als bekannt vorausgesetzt und
ist in Fig.
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1 fortgelasser - Patentansprüche -