DE2119507A1 - Annaherungsdetektor - Google Patents

Annaherungsdetektor

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DE2119507A1 DE19712119507 DE2119507A DE2119507A1 DE 2119507 A1 DE2119507 A1 DE 2119507A1 DE 19712119507 DE19712119507 DE 19712119507 DE 2119507 A DE2119507 A DE 2119507A DE 2119507 A1 DE2119507 A1 DE 2119507A1
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Metallkörper, der in dieses Treufeld gelangt, bedämpft den Schwingkreis, und zwar umso mehr, je näher er dem Kern konnt.
  • Sm Extremfall, wenn nämlich der Metallgegenstand den Kern berührt, soll nur noch ein einziger Schwingungszug auftreten, nämlich der des Anregungsstromstoßes.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus der Rückflanke der erzeugten Sägezahnschwingung wird über einen Differenzierschaltkreis 11, 12 ein Rücksetzsignal gewonnen zur Schaffung einer definierten Anfangsbedingung für die nachfolgenden Auswerteschaltkreise.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1 fortgelasser - Patentansprüche -

Claims (11)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e Annäherungsdetektor mit einem schwingenden System geringer Eigendämpfung, dem durch die Annäherung eines Gegenstandes Energie entziehbar ist, und mit einem Auswertsystan des Systems zur Erfassung der Schwingungsamplitu-lU, gekennzeichnet durch eine Anregeeinrichtung (1, 2, 3) für das System (4, 5), die diesem periodisch eine definierte Anfangsenergie zuführt, und durch eine Zähleinrichtung (6 bis lO) zur Erfassung der Anzahl der Schwingungsperioden in jedem Anregungsintervall, deren Amplituden zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten liegen.
  2. 2. Annäherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine, obere Grenzwert die Amplitude ist, auf die das Schwingungssystem bei der Anregung ausgelenkt wird.
  3. 3. Annäherungsdetektor nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß schwingende System ein elektrischer LC-Schwingkreis (4, 5) ist.
  4. 4. Annäherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregeeinrichtung einen elektrischen Relaxationsoszillator (1, 2, 3) umfaßt, in dessen Entladestromkreis der LC-Schwingkreis (4, 5) liegt.
  5. 5. Annäherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregeeinrichtung ein Nadelimpulsgeneator ist.
  6. 6. Annäherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregeeinrichtung mit einer um mindestens eine Größenordnung nierigere Frequenz arbeitend ausgebildet ist als der Eigenfrequenz des schwingenden Systems entspricht.
  7. 7. Annäherungsdetektor nach den Ansprüchen 1, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsfrequenz unstabilisiert ist.
  8. 8. Annäherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spule (4) des LC-Schwingkreises ein Schwellenwertdetektor (6) zur Festlegung des unteren Amplitudengrenzwertes angekoppelt ist.
  9. 9. Annäherungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwertdetektor zugleich als Impulsformer zur Erzeugung einer Impulsfolge aus Rechteckimpulsen gleicher Dauer und Amplitude aus den den unteren Grenzwert überschreitenden Amplituden des abklingenden Schwingungszuges des LC-Schwingkreises ausgebildet ist.
  10. 10. Annäherungsdetektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellenwertdetektor an sich bekannte Linearisierungs-, Speicher- und Zähl- und/oder Anzegeeinrichtungen (17, 19, 22, 24, 25, 26) für die an seinem Ausgang abgegebenen Impuls folge zur Weiterverarbeitung nachgeschaltet sind.
  11. 11. Annäherungsdetektor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise (18, 20, 21, 23) zur Ableitung von Auslöse- und Rückstellimpulsen aus dem Anregungsimpuls für rlie nachgeschalteten Einrichtungen vorgesehen sind.
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