-
Schaltungsanordnung zur berührungslosen Erfassung von Stellen mit
erhöhter Strahlungstemperatur bei einem Infrarotstrahler Die Erfindung bezieht sich
auf eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Erfassung von Stellen mit erhöhter
Strahlungstemperatur bei einem Infrarotstrahler mit Hilfe einer Brückenschaltung,
in deren Brückenzweigen jeweils ein strahlungsempfindliches Halbleiterelement und
ein Vergleichswiderstand angeordnet sind.
-
Es wurde bereits eine Anordnung zur berührungslosen Erfassung der
Temperaturstrahlung eines Infrarotstrahlers vorgeschlagen, die einen Strahlungsempfänger
aus einer Brückenschaltung mit strahlungsempfindlichen Widerständen enthält. Dem
Strahlungsempfänger ist eine Elektronik mit einem I)ifferenzierglied und einem Grenzwertmelder
nachgeschaltet ( deutsche Patentanmeldung P 23 16 037). Es erfolgt somit eine dynamische
Signalauswertung nach der Anstiegssteilheit der Brückensignale. Wenn mit dieser
vorgeschlagenen Schaltungsanordnung relativ kleine Temperaturunterschiede erfaßt
werden sollen, muß eine sehr hohe Verstärkung des Bruckensignals und eine feinfühlige
Einstellung des lifferenziergliedes gewählt werden, um die gegebenen Einstellmöglichkeiten
der Ansprechschwelle des Grenzwertmelders ausnutzen zu können. Die Schaltung reagiert
auch auf Schwankungen £er Umgebungstemperatur und ist sehr störanfällig für Störspannungseinkopplungen.
Außerdem verfälscht die Temperaturdrifft der Bauelemente des Differenziergliedes
und des elektronischen Verstärkers das Meßergebnis.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die besonders störsicher und stabil gegenüber
rauhen Umweltbedingungen ist.
-
Erfindungsgemäß wird hierzu bei einer Schaltungsanordnung der eingangs
genannten Art die Kombination der folgenden Merkmale vorgeschlagen: a) Das strahlungsempfindliche
Halbleiterelement des einen Brückenzweiges ist der Infrarotstrahlung unmittelbar
ausgesetzt, während das strahlungsempfindliche Halbleiterelement des anderen Brückenzweiges
auf einer Vergleichstemperatur gehalten ist, b) die Brückenschaltung ist mit einem
impulsförmigen Strom gespeist, dessen Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt,
c) die Ausgangsspannung der Brückenschaltung ist einem Grenzwertmelder über einen
elektronischen Schalter zugeführt, der während der Pulse des Speisestromes für kurze
Abfrageintervalle im thermisch eingeschwungenen Zustand durchlässig gesteuert ist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erfolgt eine relative
Meßwertbildung, bei der der Meßwert auf einen Vergleichswert bezogen ist. Die beiden
strahlungsempfindlichen Halbleiterelemente der Brückenschaltung sind beispielsweise
in einem Gehäuse derart angeordnet, daß ein Halbleiterelement der Infrarotstrahlung
unmittelbar ausgesetzt ist, während das andere Halbleiterelement gegen die externe
Infrarotstrahlung abgeschirmt ist. Das abgeschirmte Halbleiterelement unterliegt
der vom Gehäuse ausgehenden Infrarotstrahlung. Das Gehäuse wird auf einer Vergleichs
temperatur mit hoher Temperaturstabilisierung gehalten. Das Brückensignal liegt
zunächst unterhalb der Ansprechschwelle des Grenzwertmelders. Wenn bei dem Infrarotstrahler
eine Stelle mit erhöhter Strahlungstemperatur
erscheint, überschreitet
das Brückensignal die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders und es entsteht ein
auswertbares elektrisches Signal. Bei einer Änderung der Umgebungsemperatur der
gesamten Schaltungsanordnung - beispielsweise im Verlauf eines Tages - verändern
sich die Widerstandswerte der beiden strahlungsempfindlichen Halbleiterelemente
in'gleicher Richtung.
-
Durch die Speisung der Brückenschaltung mit impulsförmigem Strom,
dessen Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt, können die Strompulse eine
große Amplitude aufweisen, wobei jedoch die durch die Strombelastung in den Halbleiterelementen
entstehende Ubertemperatur klein bleibt. Das Zeitintegral der Strombelastung kann
unterhalb der zulässigen Grenzleistung gehalten werden. Das Brückensignal erreicht
durch die höheren Strompulse einen entsprechend höheren Pegel und erfordert damit
eine geringere Verstärkung. Dies verbessert die Stdrsicherheit der Schaltungsanordnung.
-
Bei der Speisung einer Brückenschaltung mit strahlungseipfindlichen
Halbleiterelementen mit impulsförmigem Strom treten sowohl bei der Einschalt- wie
auch bei der Ausschaltflanke thermische Einschwingvorgänge auf, die Spannungsspitzen
im 9rückensignal hervorrufen, die das Nutzsignal um ein Mehrfaches übersteigen können.
Das Brückensignal wird daher bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung nicht
kontinuierlich ausgewertet, sondern es erfolgt eine Abfrage während kurzer Abfrageintervalle.
Diese Abfrageintervalle sind so gedlhlt, daß sie erst nach dem Abklingen der Einschwingvorgänge
bei der Einschaltflanke eines Strompulses beginnen und spätestens mit seiner Ausschaltflanke
enden. Die thermischen Einschwingvorgänge bei den Flanken der Strompulse des Speisestromes
werden somit ausgeblendet und können die Messung nicht verfälschen.
-
Das Brückensignal wird nur im thermisch eingeschwungenen Zustand
der
Brücke abgefragt. Es entstehen pulsförmige Nutzsignale, deren Amplitude in einem
Grenzwertmelder ausgewertet wird.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht ein vom Speisestrom beaufschlagtes
Zeitglied mit Ansprechverzögerung zur Bildung von Steuerimpulsen für den elektronischen
Schalter vor. Hierdurch kann die Abfrage des Bruckensignals während kurzer Abfrageintervalle
im thermisch eingeschwungenen Zustand der Brückenschaltung erfolgen.
-
Aus den pulsförmigen Nutzsignalen können leichter auswertbare Schaltsignale
mit längerer Dauer durch eine dem Grenzwertmelder nachgeschaltete wiedertriggerbare
Zeitstufe mit einer der Pausenzeit des pulsierenden Speisestromes entsprechenden
Abfallverzögerung gewonnen werden.
-
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Uberwachung von Förderbändern, die bei einer Rißbildung die Ubertemperatur an
der Ribstelle gegenüber der Umgebungstemperatur des Förderbandes in ein elektrisches
Signal umsetzt.
-
Ein Aüsführungsbeispiel der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, Pig. 2 einige wesentliche zeitliche Signalverläufe im Schaltbild
der Fig. 1, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines strahlungsempfindlichen Halbleiterelementes.
-
In der Schaltung der Fig. 1 speist ein Rechteckgenerator 1 über die
Eingangsklemme 2, 3 eine Brückenschaltung mit einer impulsförmigen Eingangsspannung
EB (Fig. 2a), deren Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt. Der eine Zweig
der Brückenschaltung enthält ein strahlungsempfindliches Halbleiterelement 4 und
einen Vergleichswiderstand 6, während im anderen-Zweig ein Vergleichsaiderstand
5 und ein identisches strahlungsempfindliches Halbleiterelement 7 angeordnet ist.
Ledigich das Halbleiterelement 4 ist der angedeuteten Infrarotstrahlung ausgesetzt,
während das andere Halbleiterelement 7 gegen die unmittelbare Einwirkung der Infrarotstrahlung
abgeschirmt und auf einer Vergleichstemperatur gehalten ist.
-
Die Ausgangsspannung AB (Fig. 2b) an den Ausgangsklemmen 8 und 9 der
Brückenschaltung ist auf die Eingänge eines Differenzverstärkers 10 geschaltet,
der das Brückensignal verstärkt und einem weiteren Verstärker 11 zuführt. Das verstärkte
Brückensignal liegt an einem elektronischen Schalter 12 - beispielsweise einem Feldeffekttransistor
- im Eingang eines Grenzwertmelders 13. Der elektronische Schalter 12 wird mit Steuerimpulsen
AF (Fig. 2c) gesteuert, die ein vom Speisestrom beaufschlagtes Zeitglied 14 mit
Ansprechverzögerung bildet. Die Ansprechverzögerung entspricht etwa der Dauer der
thermischen Einschwingvorgänge bei den Flanken der Strompulse des Speisestrons.
-
Während der Steuerimpulse wird das verstärkte Brückensignal auf deningang
des Grenzwertmelders 13 durchgeschaltet und bildet dessen Eingangssignal E13. Der
Grenzwertmelder 13 ändert sein Ausgangssignal A13 (Fig. 2e), wenn seine Eingangsspannung
eine vorgegebene und vorzugsweise einstellbare Ansprechschwelle U13 überschreitet.
Zwischen den Steuerimpulsen AF wird der Grenzwertmelder 13 von einem weiteren elektronischen
Schalter t6 definiert auf Massepotential gesetzt. Der weitere elektronische Schalter
16 wird von den im Umkehrverstärker 15 invertierten Steuerimpulsen geöffnet. Die
Schalter 12 und 16 sind somit
alternierend durchlässig bzw. gesperrt.
Eine dem Grenzwertmelder 13 nachgeschaltete wiedertriggerbare Zeitstufe 17 mit Abfallversdgerung
verlängert die pulsförmigen Nutzsignale in der Auagangsppannung A13 des Grenzwertmelders
13 zu Schaltsignalen A17 (Fig. 2f). Die Abfallverzögerung der Zeitstufe 17 entspricht
etwa der Pausenzeit des impulsförmigen Speisestromes der BrUckenschaltung.
-
Die Wirkungsweise der Schaltung wird anhand der zeitlichen Signalverläufe
in Pig. 2 näher erläutert. Die Eingangsspannung E3 zeigt rechteckförmige Impulse
mit steilen Flanken, wobei das Puls-Pausen-Verhältnis etwa 1:10 beträgt. Die Ausgangsspannung
AB der Brückenschaltung läßt erkennen, daß bei den Flanken der Strompulse von BB
relativ hohe Spannungs spitzen infolge thermischer Einschwingvorgänge auftreten.
Damit diese Spannungsspitzen die Messung nicht verfschen, erfolgt die Abfrage nur
für kurze Abfrageintervalle im thermisch eingeschwungenen Zustand.
-
Es sei angenommen, daß während des ersten dargestellten Strom pulses
von E3 ein Nutzsignal auftritt, das eine Stelle mit unzulässig erhöhter Strahlungstemperatur
anzeigt. Beim zweiten dargestellten Strompuls von EB sei die Temperaturdifferenz
und damit auch das Nutzsignal so klein, daß der Grenzwertmelder 13 nicht anspricht.
Der zeitliche Verlauf der Steuerimpulse AF zeigt, daß die Abfrageintervalle erst
um eine solche Zeitspanne nach dem Beginn der Strompulse verzögert beginnen, daß
die Einschwingvorgänge in der Ausgangs spannung AB der Brückenschaltung bereits
abgeklungen sind und sich die Brücke im thermisch eingeschwungenen Zustand befindet.
Die Abfrageintervaile enden mit der abfallenden Flanke der Strompulse von Eg.
-
Die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders 13 ist auf den
Wert
U13 eingestellt. Beim ersten Puls ändert sich das Ausgangssignal A13 des Grenzwertmelders,
weil die Ansprechschwelle U13 überschritten wird. Zur Erleichterung der Auswertung
wird der kurze Nutzpuls in der Ausgangsspannung A13 des Grenzwertmelders 13 von
der Zeitstufe 17 verlängert. Ihre Abfallverzögerung entspricht etwa der Pausenzeit
des impulsförmigen Speisestromes. Wäre auch beim zweiten Puls die Ansprechschwelle
U13 des Grenzwertmelders 13 überschritten worden, so würde die wiedertriggerbare
Zeitstufe 17 ohne Unterbrechung das Schaltsignal A17 weiter verlängern.
-
Als strahlungsempfindliche Halbleiterelemente können beispielsweise
die in der DU-PS 2 105 512 beschriebenen Verbindungen verwendet werden.
-
Pig. 3 zeigt schematisch ein Halbleiterelement, bei dem auf einem
Träger 18 eine strahlungsempfindliche Schicht 19 in mäanderförmiger Anordnung aufgebracht
ist. Zur Erfassung von linienförmigen Stellen 20 mit erhöhter Strahlungstemperatur,
die sich in der angegebenen Pfeilrichtung relativ zum strahlungsempfindlichen Halbleiterelement
bewegen, ist die Mäanderiorm in der dargestellten Weise abgewandelt. Die äußeren,
in der Bewegungsrichtung des Linienstrahles 20 verlaufenden Verbindungslinien des
Mäanders sind eingeschnürt, wobei die Einschnürungen zur Mitte hin abnehmen. Durch
diese Gestaltung der mäanderförmigen Fläche des strahlungsempfindlichen Halbleiterelementes
wird die Empfindlichkeitsverteilung vergleichmäßigt.
-
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung - insbesondere mit einem
btrahlungaempfindlichen Halbleiterelement nach Fig. 3 -kann besonders vorteilhaft
zur Uberwaehung von Förderbändern eingesetzt werden. Die bei einer Rißbildung entstehende
Übertemperatur an der Riß stelle gegenüber der Umgebungstemperatur des Förderbandes
wird hierbei in ein elektrisches Signal umgesetzt,
das den Antrieb
des Förderbandes stillsetzt und eine entsprechende Alarmmeldung erzeugt. Gerade
bei den sehr rauhen Umgebungsbedingungen im Einsatzbereich von Förderbändern wirkt
sich die Stabilität und Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
besonders günstig aus.
-
7 Patentansprüche 3 Figuren