DE2644112A1 - Elektronischer schalter mit daempfend beeinflusstem oszillator - Google Patents

Description

• Elektronischer Schalter mit dämpfend beeinflußtem
• Oszillator Die Erfindung betrifft einen elektronischen Schalter, dessen Schaltstellungen durch die Position eines mechanischen Auslösers relativ zum Magnetfeld einer mit dem Schwingkreis eines Oszillators gekoppelten Fühlspule bestimmt sind.
• Ist das Magnetfeld der Fühlspule vom Auslöser unbeeinflußt, schwingt der Oszillator stabil und stellt einen passiven Zweipol mit relativ niedrigem Innenwiderstand dar. Wird dagegen die Fühlspule durch einen etwa als Metallfahne ausgebildeten Auslöser abgedeckt, kommen keine Schwingungen mehr zustande und der Oszillator wird zu einem Zweipol mit relativ hohem Innenwiderstand.
• Das Betätigen des Schalters durch Auslöser, die innerhalb von Räumen der Gefahrenklasse 0 arbeiten, setzt voraus, daß die in dem Schalter auftretenden Spannungen und Ströme den für diese Gefahrenklasse geltenden Sicherheitsvorschriften genügt Bei den bekannten, etwa nach DIN 19 234 aufgebauten Schaltern liegen. die auftretenden elektrischen Leistungen jedoch weit über den für die Gefahrenzone 0 geltenden Grenzwerten. Das Betätigen des Schalters aus dem genannten Gefahrenbereich heraus bereitete daher bislang erhebliche Schwierigkeiten. Entweder mußte die Auslöserbewegung über geeignete Stellglieder in einen Raum mit geringerer Gefahrenbelastung übertragen werden, oder es mußte erheblicher sicherungstechnischer Aufwand (z.B. druckfeste Kapselung, etc.) und eine aufwendige Schaltung für eine in der Zone O angeordnete Fühlspule geschaffen werden.
• Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektronischen Schalter zu schaffen, der unter den für die Gefahrenzone 0 geltenden Sicherheitsbedingungen elektrisch geschaltet werden kann.
• Die Lösung der Aufgabe gelingt bei dem eingangs genannte elektronischen Schalter nach der Erfindung dadurch, daß die Fühlspule Bestandteil zweier abgestimmter, induktiv gekoppelter Resonanzkreise ist,und daß der Auslöser im Bereich des die beiden Resonanz kreise koppelnden Magnetfeldes angeordnet ist. Dadurch bleibt die in den Resonanzkreisen auftretende elektrische Leistung extrem klein (Mikrowatt-Bereich) und die auftretenden Spannungen betragen nur-einige Millivolt. Somit werden die elektrischen Höchstwerte der gemessenen Sicherheitsvorschriften für die Gefahrenklasse "O" um ein Vielfaches unterschritten. Es können daher Druck, Temperatur, Füllstand, oder dergleiche von brennbaren Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten und Feststoffen -gemessen oder signalisiert werden. Dabei kann die Meßwertaufnahme direkt an der Gefahrenstelle geschehen und die Zuleitungen können in einfacher Ausführung gefertgt und unmittelbar im Bereich ständiger Explosionsgefahr verlegt werden.
• In Weiterführung der Erfindung wird die Fühlspule zweckmäßig mit einer ersten und einer zweiten Koppel spule zu einem geschlossenen Stromkreis geschaltet, wobei die erste Koppelspule mit dem Oszillator-Schwingkreis und die zweite Koppel spule mit einer Rückkopplungsspule des Schwingkreises induktiv gekoppelt sind.
• Zweckmäßig ist die Rückkopplungsspule mit einem Kondensator zu einem auf den Oszillator-Schwingkreis abgestimmten Rückkopplungs-Schwingkreis geschaltet und mit dem aktiven Element des Oszillators verbunden. Wenn dann für jeden Schwingkreis ein eigenes aktives Element, beispielsweise je ein Transistor vorgesehen ist, ergibt sich ein insgesamt symmetrisch aufgebauter Oszillator.
• Der bei Oszillatoren sonst übliche Temperaturgang kann nach der Erfindung in einfacher Weise dadurch vermieden werden, dß die beiden aktiven Elemente und Schwingkreise gleich dimensioniert sind.
• Dadurch wird vermieden, daß sich zwischen den aktiven Teilen der gesamten Oszillator-Schaltung das Bet- cbsverhalten störende Temperatur-Gradienten aufbauen können.
• Die Kopplung zwischen den Schwingkreisspulen und jeder Koppel spule kann zweckmäßig dadurch eingestellt werden, daß je eine Koppel spule mit zugehöriger Schwingkreisspule auf einen gemeinsamen Spulenkörper mit gegenseitigem Abstand aufgewickelt und durch einen einstellbaren Ferritkern gekoppelt sind. Um den erfindungsgemäßen Schalter an die jeweiligen Gegebenheiten des einzelnen Anwendungsfalles anpassen zu können, empfiehlt es sich, zwischen Koppel spulen und Fühl spule lösbare Steckverbindungen vorzusehen, die wegen der geringen Leistung bedenkenlos in dem Raum höchster Gefahrenklasse angeordnet werden können. Dann kann für die aktive Fläche der - Fühlspule eine anwendungsbezogene Ausführung durch. Aufstecken gewählt werden, also etwa eine Ausführung als Schlitz-oder Flächen-Initiator.
• Nachstehend wird die Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
• Im einzelnen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schalters; Fig. 2 einen Schaltplan des elektronischen Schalterms, Fig. 3a und 3b einen Schnitt und einen Innenaufbau einer als Schlitz-Initiator ausgeführten Fühlspule; und Fig. 3 ein Manometer mit angeschlossenem Meßwerk (im Schnitt) mit Plattenfeder zur Erläuterung der Anwendung des Schalters.
• Der in Fig. 2 dargestellte Schalter arbeitet unter Ausnutzung der Tatsache, daß sich zwei Schwingkreise mit hoher Güte und gleicher Frequenz mit sehr wenig Energie aneinander koppeln lassen. Wird der Koppelweg z.B. durch metallische Abschirmungen freigegeben oder versperrt, so läßt sich der Koppelgrad und damit die Größe der übertragenen Energie beliebig ändern bzw. ganz unterbinden.
• Wie das Prinzip-Schaltbild der Fig. 1 erkennen laßt, muß die Kopplung nicht unmittelbar von Schwingkreis zu Schwingkreis erfolgen, sondern wird durch induktive Ein- und Auskoppelspulen bewirkt, wenn diese entweder direkt, ohmisch, kapazitiv oder induktiv miteinander gekoppelt sind.
• Die den Oszillator sowie den Schaltverstärker enthaltende elektrische Schaltung 19 sowie der sendende Schwingkreis 30 und der zweite, empfangende Schwingkreis 40 befinden sich entweder im (Ex)-freien Bereich oder im (Ex)-Bereichzone 1. Die von der Auskoppelspule 51 aufgenommene Energie gelangt ohne weitere besondere Schfltzmaßnahmen und über normale Leitungen in die (Ex)-Raumzone 0. Die Spule 51 speist die Spule 54 im Fühlkopf (Schlitz-Initiator). Die Metallzunge 60 im Schlitz des Fühlkopfes steuert die induktive Kopplung zwischen den Spulen 54 und 53 der beiden Resonanzkreise im Fühlkopf. Die von der Spule 53 aufgenommene Energie wird auf die Ankoppelspule 52 weitergeleitet. Diese erregt den empfangenen Schwingkreis 40. Wird die Metallzunge 60 aus dem Bereich des koppelnden Magnetfeldes herausgefahren, beginnt der empfangene Oszillator 40 zu schwingen, bei eingetauchter Metallzunge 60 setzen die Schwingungen jedoch infolge nicht ausreichender Kopplung aus. Ein nachgeschalteter Schaltverstärker formt die beiden möglichen Oszillatorzustände in ein auswertbares Gleichstromsignal um.
• Die in Fig. 2 mit + und - bezeichneten Klemmen können an einen eigensicheren Versorgungsstromkreis der Schutzart (Ex) i G 5 mit einer maximalen Leerlaufspannung von 15 V und einem maximalen Kurzschlußstrom von 30 mA angeschlossen werden. Die positive Klemme ist mit Anode einer Diode 1 verbunden, deren Kathode über einen Widerstand 3 mit dem Kollektor eines npn-Transistors 4 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 4 ist mit der Anode einer weiteren Diode 2 verbunden, deren Kathode an der negativen Klemme liegt.
• Mit der Kathode der Diode 1 ist die Senke eines Feldeffekttransistors 5 verbunden, dessen Quelle für die nachfolgende Schaltung eine Spannung von 1,8 bis 2,5 V unabhängig von Schwankungen an seiner Senke einnimmt.
• Das Tor des Feldeffekttransistors 5 liegt ebenso wie die Anode der Diode 2 an Masse.
• Die Quelle des FET 5 ist über einen Widerstand 6 einerseits mit der Basis des Transistors 4 und andererseits mit dem Kollektor eines npn-Transistors 7 verbunden.
• Der Emitter des Transistors 7 liegt an der Anode der Diode 2.
• Die Quelle des FET 5 ist weiterhin über einen Widerstand 8 mit der Basis des Transistors 7 verbunden, von welcher eine Leitung zu einem Kondensator 10 führt, dessen andere Seite an Masse liegt. Die Basis des Transistors 7 ist direkt mit dem Kollektor eines npn-Transistors 9 verbunden, dessen Emitter direkt an Masse liegt.
• Die Quelle des FET 5 ist über die Reihenschaltung eines Widerstandes 11 und eines Widerstandes 13 mit der Basis des Transistors 9 verbunden, wobei der Verknüpfungspunkt der Widerstände 11 und 13 an der Anode einer Diode 12 liegt, deren Kathode zur Masse führt. Die Basis des Transistors 9 steht ferner in direkter Verbindung mit dem Emitter des npn-Transistors 15 sowie mit einem Widerstand 14, dessen anderes Ende an Masse liegt. Der Kollektor des Transistors 15 ist mit der Quelle des FET 5 verbunden.
• Der im Ganzen mit 20 bezeichnete Oszillator besitzt zwei gleich dimensionierte npn-Transistoren 31 und 41, deren Emitter direkt miteinander verbunden und über eine Reihenschaltung aus Widerständen 21 und 22 mit Masse verbunden sind. Der Verknüpfungspunkt der Widerstände 21 und 22 steht über einem Widerstand 16 mit Basis des Transistors 7 in Verbindung. Während der Kollektor des npn-Transistors 31 direkt mit der Basis des Transistors 15 verbunden ist, liegt der Kollektor des Transistors 41 an der Basis des Transistors 31.
• Der Oszillator 20 enthält zwei Parallel-Schwingkreise 30 und 40 hoher Güte, von denen der sendende Schwingkreis 30 aus der Schwingspule 33 und dem ersten Schwingkondensator 32 besteht und zwischen Basis und Kollektor des Transistore 31 geschaltet ist. Der zweite empfangende Schwingkreis 40 wirkt als Rückkopplungskreis und enthält die Rückkopplungsspule 43 sowie den zweiten Schwingkondensator 42 und liegt zwischen der Basis des Transistors 41 und der Basis des Transistors 31. Die Basis des Transistors 31 ist mit der Quelle des FET 5 verbunden.
• Die Schwingspule 33 ist auf einen rohrförmigen Spulenkörper aufgewickelt, auf dessen unteren Teil mit Abstand von der Schwingspule 33 die Koppelspule 51 aufgebracht ist. Im Spulenkörper ist ein Ferritkern zum Abgleich verstellbar. Ähnlich ist die Rückkopplungsspule 43 auf einen Spulenkörper aufgewickelt, auf dem mit Abstand von der Rückkopplungsspule 43 die Koppelspule 52 aufgebracht ist. Die induktive Kupplung zwischen Rückkopplungsspule 43 und Koppel spule 52 besorgt ein Ferritkern, der zum Abgleich verstellbar ist. Die Ferritkerne erlauben sowohl eine Abstimmung des Schwingkreises 30 mit dem Rückkopplungskreis 40 wie auch eine Einstellung des Kopplungsgrades zwischen Schwingspule 33 bzw. Rückkopplungsspule 43 und der jeweils zugehörigen Koppelspule 51 und 52. Zwischen den Koppelspulen 51 und 52 einerseits und dem übrigen Teil des Oszillators besteht keine galvanische Verbindung.
• Die Koppelspulen 51 und 52 sind zusammen mit der aus den Teilen 53 und 54 gebildeten Fühl spule zu einem geschlossenen Stromkreis zusammengeschaltet. Dabei führt von der Koppel spule 51 eine Leitung 58a zu dem Anfang der Koppelspule 54, welche in einem im Ganzen mit 59 bezeichneten Schlitz-Initiator-Kopf untergebracht ist. Das andere Ende der Koppelspule 51 ist mit dem anderen Ende der Koppelspule 54 über Leitung 58b verbunden. Leitung 58b liegt gleichzeitig an einer Seite des zweiten Teils der Kontaktspule 53, deren anderes Ende über Leitung 58c zur zweiten Koppelspule 52 führt. Das andere Ende der Koppel spule 52 ist mit Leitung 58b verbunden. Der durch die Koppelspule 51, Leitung 58a, Kontaktspuie 54, Leitung 58b, Kontaktspule 53, Leitung 58c und Koppel spule 52 aufgebaute Stromkreis ist galvanisch getrennt vom übrigen Teil der Schaltung und mit dieser nur induktiv über die Koppelspulen 51 und 52 verbunden.
• Alternativ können die aus den Spulen 51,54 sowie 52,53 bestehenden Resonanzkreise nicht, wie in Fig.2 dargestellt, zusätzlich galvanisch gekoppelt, sondern gemäß Fig. 1 nur rein induktiv gekoppelt sein. Der Steckanschluß 55 wäre dann vieradrig.
• Die spezielle Form der - Fü spule, die im dargestellten Beispiel als Schlitz-Initiator ausgeführt ist, kann an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden, also insbesondere auch aus einem Teil bestehen und eine aktive, nach außen freiliegende Kontaktfläche besitzen.
• Die Kopplung zwischen Schwingkreis 30 und Rückkopplungskreis 40 über die Koppelspulen 51,52 ist so gewählt, daß ohne Beaufschlagung der Fühlspule 53,54 mit einem Auslöser 60 der Oszillator 20 stabil schwingt. Im Schwingungszustand geht die Spannung am Kollektor des Transistors 31 nach oben, so daß der Transistor 9, dessen Basis am Schaltungspunkt 17 durch die Diode 12 eine positive Vorspannung erhält, durch Vermittlung des Transistors 15 leitend wird. Dem Transistor 9 ist ein zweistufiger Schaltverstärker mit den Transistoren 7 und 4 nachgeschaltet, welcher in der über die Dioden 1,2 führenden Signalleitung eine Stromaufnahme von beispielsweise 3mA bewirkt.
• Wirddie Kontaktspule 53,54 mit dem als Alu-Fahne ausgebildeten Auslöser 60 beaufschlagt,wird der Oszillator 20 am Schwingen gehindert mit der Folge, daß der Transistor 9 sperrt und der Schaltverstärker nur noch einen Strom von beispielsweise 1mA aus der Signalleitung aufnimmt. Die Spannungsrückführung von der Basis des Transistors 7 über den Widerstand 16 zum Verknüpfungspunkt des Spannungsteilers 21,22 sorgt für steile Flanken bei der Signaländerung als Folge des Übergangs von einem Schwingungszustand in den anderen.
• Die Transistoren 31,41, die zusammen mit den Transistoren 7,9 und 15 in integrierter Technik auf einem Chip untergebracht sind, haben beispielsweise eine Stromaufnahme von 200 1A, so daß sich eine Schwingungsleistung von weniger als 100 pW ergibt. Da die HF-Leistung in dem die Koppelspulen 51,52 und die Kontaktspule 53,54 umfassenden Stromkreis im Mikrowatt -Bereich bei Wechselspannungen von 50 mMsliegt, bleiben die kritischen Daten dieses Stromkreises weit unter den Grenzwerten, die zu zündenden Funken führen können. Damit kann der gesamte, in Fig. 1 strichpunktiert eingerahmte Teil des separaten Stromkreises offen, d.h.
• ohne besondere Schutzmaßnahmen in explosions-gefährdeten Räumen höchster Gefahrenklasse angeordnet werden. Das Vergießen des Schlitz-Initiators 59 mit der Vergußmasse 57 hat dann nur den Zweck, eine ausreichende mechanische Stabilität der Leitungen und Spulen zu gewährleisten.
• Gemäß Fig. 3 sind zwei Schlitz-Initiatoren 59 als Grenzwertgeber in den Skalenbereich eines Manometers 61 eingebaut. Der Skalenbereich 62 steht über eine Leitung 63 mit einem im Ganzen mit 64 bezeichneten Platten-Feder-Meßwerk in Verbindung. Wenn dies Meßwerk an einen Raum höchster Gefahrenklasse angeschlossen ist, gelten die gleichen Schutzbestimmungen auch für den Raum 62.
• Die Leitungen 58a-58c für jeden Schlitz-Initiator 5 sind an einem mittleren Steg 65 zu einem Steckanschluß 55 geführt, der auf einen Sockel 66 innerhalb des Raumes 62 vorgesehen ist. Von dort führen die Leitungen zu den Koppelspulen 51 und 52. Der Steckanschluß 55 ermöglicht eine Anpassung der Inieiatorform an andere anwendungsbedingte Gegebenheiten.
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Claims (1)

1. Patentansprüche 1 Elektronischer Schalter, dessen Schaltstellungen durch die Position eines mechanischen Auslösers relativ zum Magnetfeld einer mit dem Schwingkreis eines Oszillators gekoppelten Fühlspule bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlspule Bestandteil zweier abgestimmter, induktiv gekoppelter Resonanzkreise (51,54;52,53) ist; und daß der Auslöser (60) im Bereich des die beiden Resonanzkreise koppelnden Magnetfeldes angeordnet ist.

   1.,Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Resonanzkreise mit dem Schwingkreis (30) des Oszillators induktiv gekoppelt sind.

   3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Resonanzkreis (51,54) mit dem Schwingkreis (30) des Oszillators und der zweite Resonanzkreis (52,53) mit einem rückkoppelnden Schwingkreis (40) induktiv gekoppelt sind.

   4. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (30) und ein dem Rückkopplungskreis nachgeschalteter Schaltverstärker (9,7) getrennt arbeiten, so daß der Oszillator ständig schwingt und der Schaltverstärker auf einen Schwellwert anspricht, der durch die mechanische Lage des Auslösers (60) bestimmt ist.

   5. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisestromkreis und der Signalstromkreis voneinander getrennt sind.

   6. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlspule mit einer ersten (51) und einer zweiten (52) Koppelspule zu einem geschlossenen Stromkreis geschaltet ist und daß die erste Koppelspule (51)mit dem Oszillator-Schwingkreis (30) und die zweite Koppelspule (52) mit einer Rückkopplungsspule (43) des Schwingkreises induktiv gekoppelt ist.

   7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsspule (43) mit einem Kondensator (42) zu einem auf den Oszillator-Schwingkreis (30) abgestimmten Rückkopplungs-Schwingkreis (40) geschaltet und mit dem aktiven Element (31,41) des Oszillators (20) verbunden ist.

   8. Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Oszillator-Schwingkreis (30) und den Rückkopplungs-Schwingkreis (40) je ein eigenes aktives Element (31,41) vorgesehen ist.

   9. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente Transistoren, gleich dimensioniert und auf einem einzigen Chip integriert sind.

   10. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreisspule (33) auf einen Spulenkörper aufgewickelt ist, auf den die zugehörige Koppelspule (51) mit Abstand angeordnet ist; und daß in dem Spulenkörper ein Ferritkern angeordnet ist.

   11.Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsspule (43) auf einen Spulenkern aufgewickelt ist, auf dem mit Abstand die zweite Koppelspule (52) angeordnet ist, und daß im Spulenkörper ein Ferritkern angeordnet ist.

   12. Schaltung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern zum Abgleich feststellbar ist.

   13.Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den von der Kontaktspule (53,54) zu den Koppelspulen (51,52) führenden Leitungen eine lösbare Steckverbindung (55) vorgesehen ist.

   14.Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktspule in zwei Teile (53,54,2) unterteilt ist, und daß die Teile in das Gehäuse (56) eines Schlitz-Initiators (59) eingesetzt sind.

   15. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktspule in einem Raum der höchsten Gefahrenklasse angeordnet ist.

   16. Schaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckverbindung (55) offen in einem Raum höchster Gefahrenklasse angeordnet ist.

   17. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktspule in einem Flächen-Initiator mit offener Kontaktfläche angeordnet ist.

   18. Schaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Elemente des Oszillators 2 npn-Transistoren sind, deren Emitter verbunden sind.