DE2626976A1

DE2626976A1 - Annaeherungssensor

Info

Publication number: DE2626976A1
Application number: DE19762626976
Authority: DE
Inventors: John Wiliam Juvinall
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1975-06-23
Filing date: 1976-06-16
Publication date: 1976-12-30
Also published as: BR7604036A; ZA762849B; PT65252B; PT65252A; GB1523827A; DE2626976C2; ES449080A1; US4004234A; NL185181C; CA1054695A; JPS5742194B2; JPS523454A; NL185181B; AU1395976A; ES460534A1; FR2315686B1; GR60263B; IT1062014B; NL7606762A; FR2315686A1

Description

967-24

PATE NT ANWÄLTE

dr. ing, H. NE GETsTDANK (-1073) · dipl-ing. II. HAUCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ DIPL.-ING. E. GRAALFS · dipping. W. WEHNERT

HAMBURG-MÜNCHEN 2626976

ZTTSTEIiI₁TTNGSANSCHRIFT: HAMBURG 30 · NEUER WALL

TEL. 86 74 28 TTND 36 41 10

Owens-Illinois Inc. tbleor. negedapatent hambuhq

Post Office Box 1035 München 15 · mozartsth.

TEI.. 0 38 05 86

Toledo, Ohio 43666/USA tei.egh. negedafatent München

HAMBURG, ·| 4. _{Juni 1976}

Annäherungssensor

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Annäherungssensoren. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf einen Sensor, der auf einem Strom beruht, der durch eine kapazitive Kopplung eines Gegenstandes mit dem Sensor induziert wird, um das Vorhandensein eines Gegenstandes anzuzeigen.

Annäherungssensoren, die auf einem kapazitiven Kopplungseffekt zwischen dem Sensor und dem Gegenstand beruhen, gehören zum Stand der Technik. Ein sehr kleiner Strom wird in dem Sensor als Ergebnis dieser Kopplung erzeugt. Soweit mir bekannt ist, sind die Sensoren nach dem Stand der Technik so ausgelegt, daß sie diesen Strom oder einen zugehörigen Spannungsabfall direkt als Primärsignal verwenden. Dadurch sind Betriebsprobleme entstanden, da Schaltungen, die mit sehr kleinen Strömen arbeiten, zur Unstabilität neigen und zu Streustörungeh

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durch elektrisches Rauschen. Zusätzlich muß ein absoluter Wert in der Schaltung definiert werden, um die Bestimmung zu ermöglichen, wann der induzierte Strom groß genug ist, um das Vorhandensein eines Gegenstandes zu signalisieren.

Ich habe diese Probleme dadurch gelöst, indem der Stromanstieg über einer variablen Basislinie als primäres Signal gemessen wird. Der kleinste Wert in der Schaltung wenn kein Artikel vorhanden ist, wird gemessen und gehalten. Die Spannung und der Strom, die von der Gegenwart eines Artikels herrühren, werden verstärkt. Die negativen und positiven Spitzenwerte von dem Verstärker werden aufsummiert. Dieser Summenwert wird mit dem gehaltenen Minimallevel oder Minimalwert verglichen und ein Ausgangs signal wird erzeugt, wenn die beiden verglichenen Werte sich um mehr als einen vorausgewählten Betrag unterscheiden.

Meine Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Gegenwart eines Gegenstandes. Die Vorrichtung besitzt eine Wechselstromquelle, die mit der einen Seite eines Widerstandes von hoher Impedanz verbunden ist. Ein metallenes Sensorelement ist mit der anderen Seite des Widerstandes verbunden. Eine Spann ungsfolgesschaltung ist mit derselben Seite des Widerstandes wie das Sensorelement verbunden und verstärkt jedes Signal, das als Ergeb-

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nis der Gegenwart eines Gegenstandes vor dem Sensorelement erzeugt wird. Mit dem Ausgang des Spannungsfolgers ist eine elektronische Schaltung verbunden, um eine Ausgangssignalgröße zu liefern, die repräsentativ für den Gesamtbereich des Signals von dem Spannungsfolger ist. Ebenfalls ist mit dem Ausgang der elektronischen Schaltung eine elektronische MindeSbwerterfassung zum Erfassen und Halten des kleinsten Wertes, der von der elektronischen Schaltung während einer vorausgewählten Zeitperiode geliefert wird, verbunden. Schließlich empfängt eine elektronische Vergleichsschaltung Signale von der Mindeiwerterfassung und der elektronischen Schaltung und erzeugt ein Ausgangssignal, das die Gegenwart eines Gegenstandes in Ansprache darauf, daß die Ausgangssignalgröße der elektronischen Schaltung den Mindeäwert um einen vorausgewählten Betrag überschreitet, anzeigt.

Die einzige Figur des Zeichriungsteiles ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist im Blockdiagramm dargestellt. Es sollte bemerkt werden, daß in der Zeichnung nicht die Versorgung eingezeichnet ist, die notwendig ist, um die aktiven Elemente dieser Schaltung zu versorgen. Solche Spannungsversorgung und ihre Verbindungen sollten dem Fachmann geläufig sein. Die Spannungsversorgung

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liefert typischerweise Spannungen von plus und minus 15 V. Das Grundoperationssignal wird von einem Oszillator 10 erzeugt, der eine Wechselspannung von ungefähr 1 kHz liefert. Dieses Oszillatorsignal wird dann auf einen Transformator 12 gegeben, der eine Ausgangsspannung von ungefähr 150 V _ff mit 1 kHz-Frequenz liefert. Der Ausgang des Transformators läuft über einen Leiter 14 und wird auf zwei getrennte Leitungen verteilt und durch die Leiter 15 und 16 weitergegeben. Der Leiter ist mit der einen Seite eines Widerstandes 18 von sehr hoher Impedanz verbunden. Der Widerstand 18 sollte einen Wert von ungefähr 1000 M Λ besitzen. Die andere Seite des Widerstandes ist mit einem metallenen Sensor 20 verbunden, der eine kleine Scheibe oder ähnliches sein kann. Es existieren zwei spezielle Schaltungspunkte, die zu diesem Zeitpunkt betrachtet werden müssen. Der eine Punkt ist mit A bezeichnet und ist die Seite des Widerstandes 18, die mit dem Leiter 15 verbunden ist. Der andere Punkt ist ein Punkt, der mit B bezeichnet ist, er ist die andere Seite des Widerstandes 18, und zwar die Seite, die mit dem Sensor 20 verbunden ist. Es sollte klar sein, daß unter normalen Umständen kein bedeutender Spannungsabfall über dem Widerstand 18 oder kein bedeutender Stromfluß durch den Widerstand 18 herrscht. Unter diesen Bedingungen ist die Spannung sowohl am Punkt A als auch am Punkt B 150 V. Wenn jedoch ein

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Gegenstand, dessen Vorhandensein bemerkt werden soll, in die Nähe des Metallsensors 20 gebracht wird, tritt ein kapazitiver Kopplungseffekt auf,und es existiert ein Weg zur Erde durch den Gegenstand nahe des Sensors 20. Dieser kapazitive Kopplungseffekt ermöglicht es, daß ein sehr kleiner Strom durch den Widerstand 18 fließt. Typischerweise fällt die Spannung beim Messen von Glasbehältern über dem Widerstand 18 unter der Annahme, daß er einen Wert von 1000 M -Ti. besitzt, um ungefähr 5 V. Das bedeutet dann, daß die Spannung am Punkt B 145 V im Gegensatz zu den 150 V am Punkt A beträgt. Es ist diese kleine Spannung, die dann als Maß oder Anzeige für die Gegenwart eines Gegenstandes vor dem Sensor verwendet wird. Der kleinste praktische Wert für den Widerstand 18 liegt bei ungefähr 100 M-Tt. Dies verursacht einen Spannungsabfall von ungefähr einem halben Volt, wenn ein Gegenstand erfaßt wird.

Es sollte wiederum betont werden, daß der Strcmfluß durch den Widerstand 18 außerordentlich winzig ist und viele Probleme aus dem Versuch entstehen, solch kleine Ströme zu verwenden oder zu messen, selbst mit modernen, ausgeklügelten elektronischen Vorrichtungen. Insbesondere führen solche kleinen Ströme ihnen anhaftende Unstabilitäten in den Schaltungen, die diese Ströme verwenden sollen. Somit besitzen die Vorrichtungen, die nach dem

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Stand der Technik bekanntgeworden sind, üblicherweise eine interne Trimmschaltung, die einen Außenknopf besitzt, der einfach gedreht wird, bis man eine geeignete Ablese erhält bei einem Gegenstand, der vor dem Sensor gelagert ist. Dies ist natürlich höchst unerwünscht, da über einen Zeitraum die Elemente in der Schaltung in ihren Werten Verschiebungen erleiden und zusätzlich andere Instabilitäten in der Schaltung sich entwickeln können, die zu einem ungenauen Erfassen von Gegenständen, die entdeckt werden sollen, führen. Die vorliegende Schaltung überwindet diese Probleme durch Erstellen der Messung des Vorhandenseins eines Gegenstandes auf einer relativen Basis anstatt einer absoluten Basis, die eine Anfangskalibrierung erfordern würde. Zusätzlich werden die Messungen der vorliegenden Schaltung dadurch vereinfacht, daß die ganze Schaltung mit 150 V betrieben wird. Das bedeutet, daß, anstatt eine übliche Erde zu verwenden, der Betriebswert der Gesamtschaltung als 150 V betrachtet werden muß. Das wird dadurch erreicht, obwohl es in Fig. 1 nicht gezeigt ist, daß die 150 V Ausgangsleitungen des Transformators 12 mit der gemeinsamen Leitung von dem Spannungsversorgungsausgang verbunden wird. Das bedeutet, daß alle Spannungswerte bezogen sind auf + 15 V oder - 15V über oder unter den 150 V anstatt über oder unter· einem wahren Nullwert zu liegen. Dadurch entstehen keine Probleme, da der Wert mit der ganzen

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Schaltung konsistent bleibt, und es lediglich die Eingangsund Ausgangspunkte der Schaltung sind, für die eine Kompensation wegen dieses unüblichsn Betriebswertes vorgesehen werden muß. Es wäre natürlich auch möglich, die Schaltung auf eine vollständig konventionelle Art zu betreiben, indem der Ausgang von dem Sensor 20 durch eine Vorrichtung,wie einen optischen Isolator,getrennt wird, bevor er mit der logischen Schaltung verbunden wird. Jedoch neigen die meisten Isolationsvorrichtungen dazu, ziemlich nichtlinear zu arbeiten, und deshalb würde die Verwendung einer solchen Vorrichtung eine zusätzliche, unerwünschte Nichtlinearität in eine Schaltung mit einbringen, deren Charakteristiken schon relativ unstabil sind. Deshalb wird unter Berücksichtigung dieser Faktoren die Verarbeitung dieses kleinen Stromes und dieser kleinen Spannung, die in und über dem Widerstand 18 induziert werden, in der folgend beschriebenen Weise betrieben.

Die Spannung, oder noch geeigneter, der Strom, wird in einen Operationsverstärker 22 verstärkt, der als Spannungsfolger betrieben wird. Der Operationsverstärker besitzt einen Ausgang 24, der dieses Signal mit dem Rest der Schaltung verbindet. Der Operationsverstärker liefert den Strom, der für den Rest der Schaltung notwendig ist, als eine verstärkte Funktion des kleinen Stroms, der durch den Widerstand 18 fließt. Der Leiter

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24 ist mit den Leiterzweigen 26 und 27 mit den Abtast- und Halteschaltungen 30 und 31 verbunden. Die Abtast- und Halteschaltungen 30 und 31 sind konventionelle
kapazitive Abtast- und Halteschaltungen, die zum Stand der Technik gehören. Die Schaltung 30 hält den positiven Anteil des Wechselsignals von dem Operationsverstärker 22, während die Abtast- und Halteschaltung 31 den Negativteil dieses Signales hält. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 30 wird durch einen Leiter 34 auf
einen Differenzverstärker 36 gegeben. Gleichermaßen
wird der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung 31
durch den Leiter 38 auch auf den Referenzverstärker 36 gegeben. Der Ausgang des Verstärkers 36, an dem ein Leiter 40 liegt, ist deshalb repräsentativ für den Spitze-Spitze-Wert des Spannungssignals, das zu dem Zeitpunkt vorliegt, an dem die Abtast- und Halteschaltungen 30
und 31 abtasten. Der Leiter 40 ist mit einem Tiefpaßfilter 42 verbunden, das dazu dient, äußere Rauschsignale von dem Signal zu entfernen, das durch den Leiter 40 geführt wird. Der Ausgang des Tiefpasses 42 wird
über einen Leiter 44 auf einen Spannungsteiler gegeben, der aus den Widerständen 45a und 45b besteht. Der Widerstand 45a kann einen Wert von etwa 1 k/Ί betragen, während 45b einen Wert von etwa 390 k/Ί besitzt. Das Ergebnis ist eine sehr kleine Verminderung des Spitze-Spitze-Spannungswertes. Dies setzt den Vergleichswert derart, daß

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der Spitzen-Spitzen-Wert über einen Minimalwert durch einen gesetzten Betrag anwachsen muß, der durch das Widerstandsverhältnis festgelegt ist. Der Spannungsteiler ist mit dem einen Eingang eines Komparators 46 durch einen Leiter 47 verbunden. Ein zweiter Eingang des Komparators 46 ist mit einem Ausgangsleiter 48 von einer Mindestwerterfassungsschaltung 50 verbunden. Der Mindestwertdetektor 50 ist mit dem Leiter 44 von dem Tiefpaß 42 vermittels eines Zweigleiters 52 verbunden. Der Mindestwertdetektor 50 ist eine weitere konventionelle Schaltung, deren Zweck es ist, den Mindestwert zu bestimmen, der von einem Signal während eines bestimmten Zeitraumes erreicht wird, und diesen Wert zu halten und ihn als Ausgang über den Leiter 48 weiterzugeben. Somit sind die Eingänge an den Komparator 46 zuneinen ein Signal über den Leiter 47, das die tatsächliche Amplitude des Signals in dem Operationsverstärker 22 darstellt, und zum andern ein Signal über den Leiter 48, das den absoluten Minimalwert darstellt, der durch das Signal von dem Referenzverstärker 36 während eines bestimmten Zeitraumes erreicht wird. Wenn demzufolge das Vorhandensein eines Gegenstandes durch den Sensor 20 erfaßt werden soll, bezieht sich das erhaltene Signal nicht auf einen absoluten Wert, sondern vielmehr auf den Minimalwert, der durch den Minimalwertdetektor 50 geliefert wird und der während eines Zeitraums erfaßt wurde, zu dem kein Gegen-

- 10 609853/0343

- 10 stand vorhanden war.

Diese Vorrichtung hat ihre besondere Verwendung in einer Meßmaschine mit schrittweiser Fortbewegung,wie die in dem US-Patent 2 313 409 beschriebene,für die Inspektion von Glasbehältern gefunden. Diese Maschinen bewegen Glasbehälter von und zu einer Vielzahl von Inspektionsstationen schrittweise weiter und inspizieren die Glasbehälter auf verschiedene Eigenschaften in den Inspektionsstationen. Es ist notwendig sicherzustellen, daß ein Glasbehälter für die Inspektion vorhanden ist, bevor die Auslese eines defekten Zustandes akzeptiert wird. Somit wird ' die erfindungsgemäße Vorrichtung in der ersten Station dieser Maschinen verwendet um festzulegen, ob ein Gegenstand, der inspiziert werden soll, vorhanden ist oder nicht. Diese Information wird dann in einen Speicher gegeben und durch den ganzen Maschinenzyklus mit dem Behälter übertragen, wenn er von Station zu Station schrittweise bewegt wird. Diese Maschinen erzeugen auch Meßoder Signalpulse einmal während jedes Zyklusses, wenn der Behälter von Station zu Station bewegt wird. Dieser Puls wird über einen Leiter 54 auf den Minimalwertdetektor übertragen, um den Minimalwertdetektor für jeden Inspektionszyklus zu nullen. Wegen der 150 V Referenzspannung muß das Signal im Leiter 54 durch Anpassungsschaltungen, wie zum Beispiel einen optischen Isolator,

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eingegeben werden, um dessen Nulleiter abzutrennen und das Signal auf einen 150 V Referenzwert anzuheben.

Der Leiter 16 führt das Wechselstromsignal von dem Oszillator 10 und dem Transformator 12 in eine Wellenformschaltung 56. Die Wellenformschaltung 56 ist eine konventionelle, transistorisierte Wellenformschaltung, die als Ausgang über die Leiter 58 und 59 Signale liefert, die die positive und die negative Spitze des Wechselspannungssignals darstelltenj)as heißt es wird ein sehr scharfer, diskreter Rechteckpuls durch die positiven und negativen Spannungsspitzen des Wechselspannungssignals erzeugt und über die Leiter 58 und 59 übertragen. Der Leiter 58 liefert das Signal für die negative Spitze und der Leiter 59 das Signal für die positive Spitze. Weiterhin aktiviert der von dem Leiter 59 übertragene Impuls eine transistorisierte Triggerschaltung 60, die ihrerseits die Abtastunghaltereinheit 30 aktiviert, um das zu diesem Zeitpunkt vorliegende Signal abzutasten und zu halten. Dies soll der positive Spitzenwert sein. Die negative Signalspitze wird über den Leiter 58 übertragen und aktiviert einen zweiten, transistorisierten Triggerschaltkreis 61, der seinerseits die Abtast- und Halteschaltung 31 ansteuert, um das zu diesem speziellen Zeitpunkt vorliegende Signal abzutasten. Dieses ist der negative Spitzenwert und er wird gehalten, bis das nächste Mal

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- 12 die Transistorschaltung 61 aktiviert wird.

Die Schaltung nach der vorliegenden Erfindung dient demzufolge als eine sehr empfindliche und doch stabile Annäherungssensorschaltung für Gegenstände, die nahe genug an einen metallenen Sensor 20 herangeführt wurden, um es zu ermöglichen, daß eine kapazitive Kopplung stattfindet und den kleinen Strom durch den Widerstand 18 erzeugt. Der Bereich für diese Vorrichtung ist für dielektrische Artikel, zum Beispiel Glasbehälter, etwa 2 cm (3/4 inch). Besser geerdete oder Gegenstände mit größerer Leitfähigkeit können auf eine größere Entfernung erfaßt werden. Wenn solch ein Gegenstand vorhanden ist, wird ein Signal von dem Komparator 46 erzeugt und über einen Leiter 62 abgegeben, wo dieses Signal als Anzeige für das Vorhandensein eines Gegenstandes verwendet werden kann. Wieder muß wegen der 150 V Referenzspannung des Signal im Leiter 62 durch Ausgangsanpassungsvorrichtungen laufen, wie zum Beispiel einen optischen Isolator, so daß sie mit ihrem Nulleiter auf Erde für die weitere Verwendung bezogen werden können. Dabei ist zu berücksichtigen, daß · wegen des konstanten Bezuges des Signals auf den Mindestwert, der vorher erfaßt wurde, anstatt auf einen absoluten und festen Wert, Verschiebungen und Störungen der Signale in der Schaltung nicht besonders die Genauigkeit des Erfassens von Gegenständen beeinträchtigen.

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Dies stellt einen Fortschritt gegenüber den Schaltungen nach dem Stand der Technik dar, da diese keine solchen Schaltungen besitzen, die die unvermeidlichen Änderungen in der Schaltung selbst während ihres Betriebes kompensieren.

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Claims

Ansprüche :

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1. \ Vorrichtung zur Erfassung des Vorhandenseins eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch eine Wechselstromquelle, einen Widerstand hoher Impedanz mit einem Wert vor mindestens 100 M Γ\ , dessen eine Seite mit der Wechselstromquelle verbunden ist, ein metallenes Sensorelement, das mit der anderen Seite des Widerstands verbunden ist, eine Spannungsfolgerschaltung, die mit derselben Seite des Widerstandes wie das Sensorelement verbunden ist, um ein beliebiges Signal zu verstärken, das als Ergebnis der Tatsache, daß ein Gegenstand vor dem Sensorelement vorhanden ist, erzeugt wurde, eine elektronische Schaltung, die mit dem Ausgang der Spannungsfolgerschaltung verbunden,ist, um eine AusgangsSignalgröße zu liefern, die repräsentativ für den Gesamtbereich des Signals von der Spannungsfolgerschaltung ist, eine elektronische Mindestwerterfassung, die mit der elektronischen Schaltung zur Erfassung und Haltung des Mindestwertes verbunden ist, der durch die elektronische Schaltung während eins vorausgewählten Zeitraumes dargestellt wird, und durch elektronische Vergleichsmittel, die mit den MindestwerterfassungsmitteJa und der elektronischen Schaltung verbunden sind, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das das Vorhandensein eines Gegenstandes

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anzeigt als Ergebnis, daß das Ausgangssignal von der elektronischen Schaltung den Mindestwert durch einen vorausgewählten Betrag überschreitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elektronische Filterschaltung, die in die Schaltung zwischen der elektronischen Schaltung und der elektronischen Vergleichsschaltung zur Entfernung äußerer Rauschsignalkomponenten eingeschoben ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Widerstandes mit hoher Impedanz 1000 M Π beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung eine erste elektronische Vorrichtung zum Abtasten und Halten des positiven Spitzenanteils eines elektrischen Signals von dem Spannungsfolger, zweite elektronische Mittel zum Abtasten und Halten der Negativspitze eines elektrischen Signals von dem Spannungsfolger und eine elektronische DifferenzVorrichtung besitzt, die mit dem Ausgang sowohl der ersten als auch der zweiten elektronischen Mittel zum Abtasten und Halten verbunden ist, um eine Ausgangssignalgröße zu erzeugen, die den Spitzen-Spitzen-Ausgangswert des Spannungsfolgers anzeigt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Wellenformschaltung, die mit der Wechselstromquelle verbunden ist, um einen ersten Ausgangsimpuls in Ansprache auf eine positive Spitze des Wechselstromes und einen zweiten Ausgangsimpuls in Ansprache auf die negative Spitze des Wechselstromes zu erzeugen, wobei die Ausgangsimpulse zu der elektronischen Schaltung übertragen werden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elektronischen Mittel eine Triggerschaltung besitzen, die auf den ersten Ausgangsimpuls anspricht, um das Signalabtasten in Gang zu setzen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten elektronischen Mittel eine Triggerschaltung besitzen, die auf den zweiten Ausgangsimpuls anspricht, um das Signalabtasten in Gang zu setzen.
8. Verfahren zur Erfassung des Vorhandenseins eines Gegenstandes neben einem metallenen Sensorelement, gekennzeichnet durch das Anlegen eines Wechselstromes an einen Widerstand, dessen eine Seite mit dem Sensorelement verbunden ist, das Induzieren eines Stroms

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in dent Widerstand als Ergebnis einer kapazitiven Kopplung des Gegenstandes und des Sensorelementes_r das elektronische Erzeugen einer Signalgröße, die repräsentativ für die Spitzen-Spitzen-Spannung über dem Widerstand als Folge des induzierten Stromes ist, das elektronische Abtasten und Halten eines Wertes, der repräsentativ für die minimale Spitzen-Spitzen-Spannung über dem Widerstand während der Zeiträume ist, wenn kein Gegenstand vorhanden ist, das elektronische Vergleichen des Wertes, dfsr repräsentativ für die Mindestspannung ist und der Signalgröße, die repräsentativ für die Spitzen-Spitzen-Spannung ist, und das Erzeugen eines Ausgangssignals, das die Gegenwart eines Gegenstandes anzeigt, wenn das Signal um einen vorausgewählten Betrag den Wert übersteigt, der repräsentativ für die Mindestspannung ist.

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•iff.

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