DE2119507C3 - Annäherungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Annäherungsdetektor . nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Detektor ist aus der DT-AS 1058609 bekannt. Bei dem bekannten Detektor soll dabei die Stellung eines Zeigers od. dgl. dadurch erfaßt werden, daß ein ständig schwingender LC-Kreis im Ausgang eines Transistorverstärkers liegt und die zusätzlich vorgesehenen Kupplungsspulen hinsichtlich ihres Kopplungsgrades durch den Gegenstand beeinflußt

ίο werden Es ist nur ein Ein-Aus-Signal im Ausgang vorgesehen. Nach demselben Prinzip arbeitet ein Detektor, der in der DT-AS 1031532 beschrieben ist; dasselbe gilt für den Detektor nach der DT-AS 1001496. Allen bekannten Detektoren ist gemeinsam, daß das schwingende System ständig angeregt ist.

Es ist natürlich nicht zwingend, die Annäherung eines Gegenstandes durch Beeinflussung der Induktivität zu erfassen; ebenso könnte auch die Kapazität des Schwingkreises dieleketrisch bedämpft werden, wie überhaupt das schwingende System nicht notwendigerweise ein LC-Kreis zu sein braucht, sondern z.B. auch einen mechanischen Oszillator umfassen könnte. Annäherungsdetektoren der bekannten Bauart er-

setzen 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.

Die bekannten Annäherungsdetektoren weisen aber auch bestimmte Nachteile auf. Zunächst ist ihre Funktion temperaturabhängig, d. h. der Schaltabstand schwankt mit der Temperatur, da die aktiven EIemente der Anregeeinrichtung eine stark temperaturabhängige Charakteristik aufweisen. Ferner erlauben sie nicht, eine Aussage über die Position des Gegenstands jenseits oder diesseits des Schaltabstands zu machen; wenn mehrere Punkte seiner Bewegungsbahn 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 einstellen). Dies bringl allerdings die Gefahr induktiver Kopplung zwischen benachbarten Detektoren und damit Instabilität mil sich. Und schließlich ist die Schaltgeschwindigkeit abhängig von der Annäherung des Gegenstands selbst Da nämlich der Schwingkreis nur schwach rückgekop· pelt ist, um eine möglichst gute Stabilität zu erhalten setzt er in der Regel mit den Schwingungen aus, wem einmal der Schaltabstand durch den Gegenstand un einen gewissen Weg unterschritten ist. Infolgedessei ist für das Wiederanschwingen bis zur Nennamplitudi eine um so größere Zeit erforderlich, je näher die be dämpfende Masse des Gegenstands dem Detekto noch liegt, da die Verluste in ihr nach wie vor von nur schwach angekoppelten Oszillator aufgebrach

werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Annäherungsdetektor der eingangs gekannten Art zu schaffen, mit dem der Abstand eines sich nähernden Gegenstands direkt numerisch erfaßbar ist und der eine von der Annäherung selbst unabhängige und gegenüber den bekannten Detektoren vergrößerte Schaltgeschwindigkeit aufweist. Diese Aufgabe wird bei dem genannten Annäherungsdetektor auf Grund der Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.

Sobald dem Schwingungssystem ein zur Anregung erforderlicher Anfangsenergiebetrag zugeführt worden ist, der eine proportionale Anfangsamplitude hervorruft, klingen die Schwingungen gemäß den jeweils vorliegenden DämpfungsVerhältnissen ab, bis der nächste Anstoß erfolgt. Das Abklingen erfolgt nach einer Exponentialfunktion, und je stärKer das System bedämpft ist, desto schneller klingen die Schwingungen ab. Die Frequenz des schwingenden Systems wird durch die Bedämpfung in erster Näherung nicht merkbar verändert, wohl aber die Höhe der Schwingungsamplituden. Der Zeitraum, innerhalb dem die Schwingungsamplituden von dem oberen Grenzwert auf den unteren Grenzwert abgefallen sind, ist mithin ein Maß für die Dämpfung und damit auch ein Maß für den Abstand der dämpfenden Masse des Gegenstands von dem Schwingungssystem. Gemäß der Erfindung wird demnach der an sich bekannte Umstand ausgenutzt, daß die Dämpfung einer Schwingung durch die Anzahl der Schwingungsperioden festgelegt werden kann, welche zwischen zwei Schwingungsextrema gegebener Amplituden liegen. Nun braucht man aber für die Zeitmessung keinen besonderen Aufwand zu feiben, weil der Zeitraum bereits durch die Schwingung gequantelt ist; es genügt mithin, die Zahl der Schwingungsperioden innerhalb dieses Abklingzeitraums 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 definierter 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 den unteren Grenzwert erfolgen, desto schwächer ist die Bedämpfung, und desto weiter ist die dämpfende Masse (noch) entfernt. Man erhält also nach entsprechender Eichung direkt eint numerische Entfernungsanzeige,die periodisch (nach jeder neuen Anregung) korrigiert wird. Das Verhältnis der Periodendauer der Meßschwingung zur Dauer des Anregungsintervalls muß so gewählt werden, daß die Schwingung ohne äußere Bedämpfung bereits innerhalb des Anregungsintervalls bis unter den unteren Amplitudengrenzwert abklingen kann; das Verhältnis ist somit bestimmt durch die Güte des Meßschwingungssystems. Arbeitet man mit einem LC-Schwingkreis, der für eine Frequenz von beispielsweise 1 MHz ausgelegt ist, so ist selbst bei höchster Schwingkreisgute eine Anregungsimpulsfolgefrequenz von höher als 5 KHz möglich, so daß alle 0,2 Millisekunden eine Messung erfolgt. Da das Schwingungssystem praktisch innerhalb einer Periodendauer der Meßschwingungssystemfrequenz meßbereit ist, ergeben sich nicht die obenerwähnten Nachteile durch das langsame Anschwingen wie bei den bekannten 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

ίο Zählanordnung gegeben ist, welche entsprechend hochohmig angepaßt sein kann, damit die Empfindlichkeit gegenüber äußeren, bedämpfenden Massen hoch ist. Man kann das Anregungsintervall etwa 1,5 mal so groß wählen wie die Summe der Meß-Schwingungsperioden, deren Amplituden bei ungedämpftem Schwingkreis oberhalb des unteren Grenzwerts liegen, damit bei neuerlicher Anregung der Relaxationsoszillator nicht durch den noch schwingenden Meßschwingkreis gestört wird. 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. Mindestens näherungsweise soll die bei der stoßweisen Entladung auf den Schwingkreis übertragene Energie konstant sein, 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 das Anregungsintervall, doch ist dies in der Anwendung kaum störend, da höchstens die höchste Schaltfrequenz geringfügig herabgesetzt wird. Sowohl die Anregungsspannung als auch der nachgeschaltete 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 von einer Maximalamplitude von beispielsweise 55 V_ss bis zum Abklingen der Schwingung auf 1 V_ss 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 er ist leicht einzusehen, daß die Eichung nicht linear ist. Eine Linearisierung läßt sich aber mit an sich bekannten Schaltungsmaßnahmen verwirklichen.

Zur Steuerung von Maschinen, bei denen in einer bestimmten Position irgendeines Maschinenteils ein Schaltimpuls abgegeben werden soll, eignet sich die erfindungsgemäße Ausbildung, wenn eine Zündeinrichtung für einen Triac od.dgl. 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 gegeben ist.

Schließlich kann ein Amplitudendetektor nachge- U_a liegt, aufgeladen wird, und einem Entladesteuerschaltet werden, etwa in Form eines Schmitt-Triggers, organ 1, in diesem Fall eine Silizium-Vierschichtmit dessen Hilfe alle über dem unteren Grenzwert lie- diode. Sobald die Spannung am Kondensator 2 die genden Amplituden in Rechteckimpulse umgeformt Zündspannung der Vierschichtdiode 1 erreicht hat, werden. Es entsteht also eine Folge von Rechteckim- 5 wird er stoßartig über die Diode 1 und den Schwingpulsen, deren Anzahl eine reziproke Funktion der kreis 4,5 entladen. Dabei kann kurzzeitig ein erhebli-Schwingkreisbedämpfung ist. Zur Auswertung kann eher Strom von mehreren Ampere fließen, während man einen wiedertriggerbaren monostabilen Multivi- der Mittelwert des Ladestroms nur einige Milliampere brator nachschalten, der einen einzigen Impuls mit ei- beträgt. Nach Entladung des Kondensators 2 kann der ner Impulsanzahl am Schmitt-Trigger-Ausgang pro- 10 Schwingkreis 4, 5 ausschwingen, wobei er nur durch portionalen Dauer abgibt; dieser kann in an sich seine Eigenverluste, den (hohen) Sperrwiderstand der bekannter Weise mit einem Standardimpuls konstan- nachfolgenden Schaltkreise bedämpft wird, solange ter Dauer verglichen werden, wobei die Differenz für keine äußere Bedämpfung durch Metallmassen in der Regelzwecke zur Verfügung steht. Gegenüber her- Axialerstreckung des Halbschalenkerns erfolgt. Die kömmlicher Annäherungsdetektoren ergibt sich eine 15 Bedämpfung durch die Diode 1 und die nachfolgenweit erhöhte Schaltfrequenz, und der Schaltabstand den Schaltkreise wird durch entsprechend bemessene kann wesentlich höher sein. Ankopplung an Anzapfungen der Induktanz so klein

Die Rechteckimpulsfolge kann aber auch direkt wie möglich gehalten. Die Frequenz f_P der Sägezahnüber den Schiebetakteingang einem Schieberegister schwingungen für die Anregung hängt von der Bezugeführt werden. Der Schaltzustand der einzelnen ao triebsspannung U_B, dem Widerstand 3, dem Konden-Registerelemente kann digital angezeigt werden, mit sator 2 und der Zündspannung der Vierschichtdiode 1 Lampen optisch sichtbar gemacht werden, oder man ab.

kann einen oder mehrere vorgegebene und umschalt- Der nachgeschaltete Amplitudendetektor, ein als bare Ausgänge abfragen. Auf diese Weise können mit Schmitt-Trigger geschalteter Operationsverstärker 6 einem einzigen Annäherungsdetektor mehrere 35 mit hochohmigem Eingang 13, erhält über den Wider-Schaltpunkte festgelegt werden. Auch ist eine grobe stand 9 eine einstellbare Referenzspannung, durch die Linearisierung bereits durch die Auswahl von Aus- zusammen mit der Hysterese, hervorgerufen durch die gangen des Schieberegisters möglich. positive Rückkopplung über den Widerstand 10, der

Die Rechteckimpulsfolge kann schließlich auch in Schwellenwert des Amplitudendetektors festgelegt

einen Zähler, beispielsweise im BCD-Code, eingege- 30 ist.

ben werden. Der Zählerstand wird über Zwischen- Am Ausgang des Operationsverstärkers 6 erscheint

speicher, Decodierer und Treiber numerisch ange- nun für jeden gedämpften Schwingungszug des

zeigt. Es kann dabei ein Festwertspeicher zwischenge- Schwingkreises 4, 5 eine Kette von Rechteckimpul-

schaltet werden, um die Funktion m (Zahl der sen, deren Anzahl »m« von der Dämpfung des

Perioden mit Amplituden im Erfassungsbereich) = 35 Schwingkreises abhängt.

/ (d), mit »d« als dem Abstand zwischen Detektor Aus der Rückflanke der erzeugten Sägezahn-

und dämpfender Masse, zu linearisieren. Es ist dann schwingung wird über einen Differenzierschaltkreis

möglich, die Anzeige zu kalibrieren, zweckmäßig so, 11,12 ein Rücksetzsignal gewonnen zur Schaffung ei-

daß der Zählerstand Z= d (mm) innerhalb des Meß- ner definierten Anfangsbedingung für die nachfolgen-

bereichs von d=0 bis d_miu ist. ₄₀ den Auswerteschaltkreise.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des gesamten An-

auf die Zeichnungen näher erläutert werden. näherungsdetektors mit digitalen Schaltkreisen zur

Fig. 1 zeigt halbschematisch den Siromlaufplan ei- Weiterverarbeitung und Linearisierung der Impuls-

nes Annäherungsdetektors; kette »m« zwecks Ausgabe und Anzeige der Entfe-

Fig. 2 stellt das Blockschaltbild eines kompletten 45 rung eines (in den Maßen und dem Material bekann-

Geräts mit numerischer Abstandsanzeige dar; und ten) metallischen Gegenstands vom Meßkopf.

Fig. 3 ist ein Puls-Zeit-Diagramm zur Erläuterung Als Anfangsbedingung gelte, daß ein 2-Dekaden-

der Schaltung nach Fig. 2. BCD-Zähler 17 über die Rücksetzleitung 28 in

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in den Nullage gebracht ist. Das Rücksetzsignal 28' wird aus Meßkopf des Detektors ein LC-Schwingkreis, beste- _5O dem Differenzierschaltkreis 19 (in Fig. 1: Elemente hend aus der Induktanz 5 und dem Kondensator 4 11,12) gewonnen. Damit wird auch der Anregungseingebaut; der Schwingkreis wird durch einen noch impuls aus dem Schaltkreis 14 unterdrückt, da die zu beschreibenden Mechanismus zu gedämpften Rücksetzeingänge des Zählers 17 Vorrang vor dem Schwingungen der Frequenz f_K angeregt. Die Induk- Zähleingang 13 haben. Der Zähler 17 summiert nur tanz 5 kann beispielsweise einen Ferritkern in söge- ₅₅ die aus dem Schmitt-Trigger (in Fig. 1: Elemente < nannter Halbschalenform umfassen, von dem ein etwa bis 10) 16 einlaufenden Impulse 31 (siehe Fig. 3) keulenförmiges magnetisches Streufeld ausgeht. Ein die durch die gedämpfte Schwingung 30 des LC Metallkörper, der in dieses Streufeld gelangt, be- Schwingkreises 15 (in Fig. 1: Elemente 4, 5), angedämpft den Schwingkreis, und zwar um so mehr, je regt durch die Stromstöße des RelaxationsoszUlaton näher er dem Kern kommt. 60 14, erzeugt werden. Alle über dem Schwellenwert 21

Im Extremfall, wenn nämlich der Metallgegenstand liegenden Amplituden der gedämpften Schwingunj

den Kern berührt, soll nur noch ein einziger Schwin- 30 erreichen den Zähleingang 13, so daß der Zählet

gungszug auftreten, nämlich der des Anregungs- nach Beendigung der MeBperiode den Zählerstanc

Stromstoßes. m= f (d) hat.

Der Anregungsstromstoß wird mittels eines Lade- 65 Das Signal 28' aus dem Differenzierschaltkreis 1!

Entlade-Schaltkreises erzeugt, bestehend aus dem erzeugt über zwei monostabile Multwibratoren 2© unc

Ladewiderstand 3, dem Ladekondensator 2, welcher 21 einen verzögerten Takt 33. Die Verzögerungszei

über den Widerstand 3, der an der Betriebsspannung 32 ist groß genug, daß die gedämpfte Schwingung 3(

inzwischen zur Ruhe gekommen ist.

Mit dem Takt 33 wird der Zählerstand in ein Register 18 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 Multivibrator kommenden Takt 34 übernimmt. Die Daten

am Ausgang 27 des Registers 24 können digita weiterverarbeitet werden oder über Decodierer,Trei ber und Anzeigeeinheiten 25 und 26 angezeigt wer den.

Trotz der hohen Amplituden- und Frequenzstabili tat des schwingenden Systems 15 kann bei extremei Anforderungen an die Meßgenauigkeit eine Tempe raturkompensation nötig sein. Sie wurde als bekann vorausgesetzt und ist in Fig. 1 fortgelassen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Annäherungsdetektor mit einer Anregeein-ί richtung für ein schwingendes System geringer Ei-

gendämpf ung, welchem durch die Annäherung eines Gegenstandes Energie entziehbar ist, und mit einem auf die Schwingungsamplituden des schwingenden Systems ansprechenden Auswertesystem zur Erzeugung eines Anzeigesignals bei einer vorgegebenen Grenzwert-Amplitude, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregeeinrichtung (1, 2,3; 14) in Anregeintervallen, deren zeitliche Abstände größer sind als die Daaer des durch einen unteren Amplituden-Grenzwert vorgebbaren Ausschwingvorgangs des lediglich unter dem Einfluß der Eigendämpfung schwingenden Systems (4,5; 15), auf das vom Gegenstand beeinflußte schwingende System (4,5; 15) einwirkt, und daß eine zur Erfassung der Anzahl der Schwingungsperioden des durch den Gegenstand gedämpften Ausschwingvorgangs innerhalb jedes Anregeintervalls dienende und zwischen zwei vorgegebenen Amplituden-Grenzwerten wirksam werdende Zähleinrichtung (6, 9, 10; 17 bis 26) vorgesehen ist.

2. Annäherungsdetektor nach Anspruch 1, daduich gekennzeichnet, daß der eine, obere Grenzwert die Amplitude ist, auf die das Schwingungssystem bei der Anregung ausgelenkt wird.

3. Annäherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende System ein elektrischer LC-Schwingkreis (4, 5; 15) ist.

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. Annäherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregeeinrichtung ein Nadelimpulsgenerator ist.

6. Annäherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer jedes Anregungsintervalls um mindestens eine Größenordnung über der Periodendauer der Schwingungen gewählt ist.

7. Annäherungsdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spule (5) des LC-Schwingkreises ein Schwellenwertdetektor (6) zur Festlegung des unteren Amplitudengrenzwertes angekoppelt ist.

8. Annähcrungsdetektor nach Anspruch 7, 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.

9. Annäherungsdetektor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schwellenwertdetektor an sich bekannte Linearisierungs-, Speicher- und Zähl- und/oder Anzeigeeinrichtungen (17,18,22,24,25, 26) für die an seinem Ausgang abgegebene Impulsfolge zur Weiterverarbeitung nachgeschaltet sind.

10. Annäherungsdetektor nach Anspruch 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkreise (19, 20,21,23) zur Ableitung von Auslöse- und Rückstellimpulsen aus dem Anregungsimpuls für die nachgeschalteten Anzeigeeinrichtungen vorgesehen sind.