DE2413210C3 - Schaltungsanordnung zur berührungslosen Erfassung von Stellen mit erhöhter Strahlungstemperatur bei einem Infrarotstrahler - Google Patents

Description

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 210

Halbleiterelement und ein Vergleichsglied angeordnet sind, wobei das strahlungsempfindliche Halbleiterelement des einen Brückenzweiges der Infrarotstrahlung unmittelbar ausgesetzt und das strahlungsempfindliche Halbleiterelement des anderen Zweiges gegenüber der Infrarotstrahlung geschützt ist und wobei die Brückenschaltung mit einem impulsförmigen Strom gespeist ist, dessen Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt.

In der deutschen Patentanmeldung P 23 16 037.4-52 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 Differenzierglied und einem Grenzwertmelder nachgeschaltet. Es erfolgt somit eine dynamische Signalauswertung nach der Anstiegssteilheit der Brückeniignale. Wenn mit dieser vorgeschlagenen Schaltungsanordnung relativ kleine Temperaturunterschiede erfaßt werden sollen, ist eine sehr hohe Verstärkung des Brückensignals und eine feinfühlige Einstellung des Differenziergliedes notwendig, um die gegebenen Einstellmöglichkeiten der Ansprechschwelle des Grenzwertmelders ausnutzen zu können. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung reagiert auch auf Schwankungen der Umgebungstemperatur und ist sehr störanfällig für Störspannungseinkopplungen. Außerdem verfälscht die Temperaturdrifft der Bauelemente des Differenziergliedes und des elektronischen Verstärkers das Meßergebnis.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 34 87 213 bekannt. Bei der Speisung dieser bekannten Brückenschaltung mit strahlungsempfindlichen Halblciterelementen mit impulsförmigem Strom treten sowohl bei der Einschaltwie auch bei der Ausschaltflanke thermische Einschwingvorgänge auf, die Spannungsspitzen im Brükkensignal hervorrufen, die das Nutzsignal um ein Mehrfaches übersteigen können. Diese Spannungsspitzen verfälschen das Meßergebnis.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausgangsspannung der Brückenschaltung einem Grenzwertmelder über einen elektronischen Schalter zugeführt ist, der während der Pulse des Speisestromes für kurze Abfrageintervalle im thermisch eingeschwungenen Zustand durchlässig gesteuert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird das Brückensignal nicht ständig ausgewertet, sondern es erfolgt eine Abfrage des Brückensignals während kurzer Abfrageintervalle. Diese Abfrageintervalle sind zeitlich so gewählt, daß sie erst nach dem Abklingen der Einschwingvorgänge bei der Einschaltfianke eines Strompulses beginnen und spätestens mit seiner Ausschaltflanke enden. Die thermischen Einschwingvorgänge werden somit ausgeblendet und können das Meßergebnis nicht verfälschen. Das Brückensignal wird nur im thermisch eingeschwungenen Zustand der Brücke abgefragt. Es entstehen pulsförmige Nutzsignale, die einem Grenzwertmelder zugeführt werden.

Zur Auswertung der pulsförmigen Nutzsignale sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß dem Grenzwertmelder eine wiedertriggerbare Zeitstufe nachgeschaltet ist, deren Abfallverzögerung, dej

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senzeit des impulsförmigen Speisestromes entspricht.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Überwachung von Förderbändern, wobei die bei einer Rißbildung an der Rißstelle entstehende Übertemperatür gegenüber der Umgebungstemperatur des Förderbandes in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichnenten Ausgestaltungen werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfinciungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig.2 einige wesentliche zeitliche Signalverläufe im Schaltbild der F i g. 1,

Fig.3 eine schematische Darstellung eines strahlungsempfindlichen Halbleiterelementes.

In der Schaltung der F i g. 1 speist ein Rechteckgenerator 1 über die Eingangsklemme 2, 3 eine Brückensclialtung mit einer impulsförmigen Eingangsspannung Eb (Fig. 2a), deren Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt. Der eine Zweig der Brückenschaltung enthält ein strahlungsempfindüches Halbleiterelement 4 und einen Vergleichswiderstand 6, wahrend im anderen Zweig ein Vergleichswiderstand 5 und ein identisches strahlungsempfindüches Halbleiterelement 7 angeordnet ist. Lediglich 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 Ag (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(F i g. 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 Speisestroms. Während der Steuerimpulse wird das verstärkte Brückensignal auf den Eingang des Grenzwertmelders 13 durchgeschaltet und bildet dessen Eingangssignal £13. Der Grenzwertmelder 13 ändert sein Ausgangssignal /4 13 (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 16 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 Abfallverzögerung verlängert die pulsenförmigen Nutzsignale in der Ausgangsspannung A 13 des Grenzwertmelders 13 zu Schaltsignalen A 17 (F i g. 2f). Die Abfallverzögerung der Zeitstufe 17 entspricht etwa der Pausenzeit des impulsförmigen Speisestromes der Brückenschaltung.

Die Wirkungsweise der Schaltung wird anhand der zeitlichen Signalverläufe in Fig.2 näher erläutert. Die Eingangsspannung Eb zeigt rechteckförmige Impulse mit stellen Flanken, wobei das Puls-Pausen-Verhältnis etwa I : 10 beträgt. Die Ausgangsspannung Ab der Brückenschaltung läßt erkennen, daß bei den Flanken der Strompulse von Eb relativ hohe Spannungsspitzen infolge thermischer Einschwingvorgänge auftreten. Damit diese Spannungsspitzen die Messung nicht verfälschen, erfolgt die Abfrage nur für kurze Abfrageintervalle im thermisch eingeschwungenen Zustand.

Es sei angenommen, daß während des ersten dargestellten Strompulses von £aein 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 ersl um eine solche Zeitspanne nach dem Beginn der Strompulse verzögert beginnen, daß die Einschwingvorgänge in der Ausgangsspannung Ab der Brückenschaltung bereits abgeklungen sind und sich die Brücke im thermisch eingeschwungenen Zustand befindet. Die Abfrageintervalle enden mit der abfallenden Flanke der Strompulse von Eb-

Die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders 13 ist auf den Wert U 13 eingestellt. Beim ersten Puls ändert sich das Ausgangssignal A 13 des Grenzwertmelders, weil die Ansprechschwelle UM überschritten wird. Zur Erleichterung der Auswertung wird der kurze Nutzpuls in der Ausgangsspannung A 13 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 Zeitsiufe 17 ohne Unterbrechung das Schaltsignal A 17 weiter verlängern.

Als strahlungsempfindliche Halbleiterelemente können beispielsweise die in der DT-PS 2105 512 beschriebenen Verbindungen verwendet werden.

Fig.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 Mäanderform in der dargestellten Weise abgewandelt. Die äußeren, in der Bewegungsrichtung des Linienstrahlers 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 strahlungsempfindlichen Halbleiterelement nach F i g. 3 — kann besonders vorteilhaft zur Überwachung von Förderbändern eingesetzt werden. Die bei einer Rißbildung entstehende Übertemperatur an der Rißstelle 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

24 Patentansprüche:

1. 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, wobei das strahlungsempfindliche Halbleiterelement des einen Brückenzweiges der Infrarotstrahlung unmittelbar ausgesetzt und das strahlungsempfindliche Halbleiterelement des anderen Zweiges gegenüber der Infrarotstrahlung geschützt ist und wobei die Brückenschaltung mit einem impulsförmigen Strom gespeist ist, dessen Pausendauer ein Mehrfaches der Pulsdauer beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Brückenschaltung einem Grenzwertmelder (13) über einen elektronischen Schalter (12) zugeführt ist, der *o während der Pulse des Speisestromes für kurze Abfrageintervalle im thermisch eingeschwungenen Zustand durchlässig gesteuert ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (AF) für den elektronischen Schalter (12) von einem Zeitglied (14) gebildet sind, das mit dem impulsförmigen Speisestrom eingangsseitig beaufschlagt ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Brückenschaliung einem Differenzverstärker (10) zugeführt ist, dessen Ausgang mit dem elektronischen Schalter (12) verbunden ist.

. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Grenzwertmelder (13) eine wiedertriggerbare Zeitstufe (17) nachgeschaltet ist, deren Abfallverzögerung der Pausenzeit des impulsförmigen Speisestromes entspricht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Halbleiterelement aus einer auf einem Träger (18) aufgebrachten strahlungsempfindlichen Schicht (19) in mäanderförmiger Anordnung besteht und die Verbindungslinien der mä.anderförmigen Anordnung mittig eingeschürt sind, wobei die Länge der Einschnürungen vom Rand des Halbleiterelements zur Mitte hin abnimmt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daß das gegenüber der Infrarotstrahlung geschützte strahlungsempfindliche Halbleiterelement (7) auf einer Vergleichstemperatur gehalten ist.

7. Anwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Überwachung von Förderbändern, wobei die bei einer Rißbildung an der Rißstelle entstehende Übertemperatur gegenüber der Umgebungstemperatur des Förderbandes in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.