DE2821792A1 - Optoelektronische vorrichtung zur erkennung des reissens eines fadens, der sich linear im lichtbuendel der vorrichtung bewegt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Erkennen eines Fadenbruchs.

Grundsätzlich gibt es in diesem Bereich zwei Gerätegruppen, je nachdem, ob der Faden eineHin- und Herbewegung ausführt oder sich geradlinig bewegt.

Die erste Gerätegruppe umfaßt auch optoelektronische Ausführungsformen. Das von einem lichtemittierenden Element ausgesandte Lichtbündel, das von einem Fotoempfänger empfangen wird, wird periodisch durch den sich hin- und herbewegenden Faden unterbrochen, wodurch an den Anschlüssen des Fotoempfängers wiederkehrende Impulse erzeugt werden, die in der V/eise ausgewertet werden können, daß eine Signalanzeige bewirkt wird, wenn sich der Faden nicht mehr durch das Bündel hin- und herbewegt oder bricht.

Die zweite Gerätegruppe wurde bisher entweder unter der Verwendung mechanischer Vorrichtungen oder einer piezoelektrischen Anordnung realisiert. Alle diese Lösungen beinhalten einen körperlichen Kontakt zwischen dem Faden und den Detektororganen, mit den bekannten, hieraus folgenden Nachteilen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der zweiten Gruppe jedoch unter Verwendung einer optoelektronischen Anordnung, d.h. ohne körperlichen Kontakt zwischen Meßorgan und Faden zu schaffen.

Hierbei muß die Schwierigkeit überwunden werden, daß die geradlinige kontinuierliche Bewegung eines streng zylindrischen Fadens in einem Lichtbündel keinerlei Änderung des vom Fotoempfänger abgegebenen Stroms und somit auch keinerlei Signal

809847/1009

zur Folge hat, so daß die bekannten optoelektronischen Geräte nur sehr starke Änderungen des Fadenquerschnitts zu erkennen vermögen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der Faden dann, wenn er synthetisch ist, eine künstliche Struktur bzw. Textur besitzt, und dann, wenn er aus Naturfasern besteht, eine Vielzahl von miteinander verdrillten Einzelfasern umfaßt: Hieraus ergibt sich eine mehr oder weniger unregelmäßige Veränderung des das Lichtbündel unterbrechenden Abschnitts bzw. Querschnitts während des Hindurchlaufens des Fadens und somit eine Modulation des vom Fotoempfänger empfangenen Lichtes. Das Signal, das sich an den Anschlüssen des Fotoempfängers ergibt, entspricht in etwa einem Rauschsignal und besitzt normalerweise nur eine sehr kleine Amplitude. Es wird von Störungen, wie z.B. dem Vorhandensein von Staub auf den optoelektronischen Elementen sehr stark beeinflußt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit ein Fadenwächter von der Art, bei der der Faden eine kontinuierliche lineare Verschiebung bzw. Bewegung ausführt, und umfaßt ein lichtemittierendes Element sowie einen Fotoempfänger, die durch ein Lichtbündel miteinander verbunden sind, sowie eine Vorrichtung zum Auswerten des vom Fotodetektor bzw. Fotoempfänger abgegebenen modulierten Signals. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß diese Auswertevorrichtungen für das Signal ein Organ umfassen, das in der Lage ist, die beständige, unregelmäßige Komponente des Signals zu erkennen, die sich aus der Struktur des Fadens ergibt, sowie dadurch, daß eine Schaltung vorgesehen ist, die eine Signalanzeige oder einen Steuerbefehl auslöst, wenn diese unregelmäßige Komponente verschwindet.

809847/1009

Diese Vorrichtung unterscheidet sich somit deutlich von den optoelektronischen Garnreinigern, bei denen die Detektorschaltung diese unregelmäßige Komponente eliminiert und als Nutzsignal lediglich die Einhüllende des vom Fotodetektor abgegebenen Signals verwendet.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung ist der Fotoempfänger über eine einen Verstärker umfassende Verbindungsschaltung mit einem Leistungsverstärker verbunden, der das lichtemittierende Element speist, wobei die gesamte Baugruppe eine Regelschleife bildet, die sich über das Lichtbundel schließt, und es ist ein Tiefpaßfilter in diese Verbindungsschaltung eingefügt, das eine Grenzfrequenz besitzt, die beträchtlich niedriger al.s die mittlere Frequenz der unregelmäßigen Komponente ist.

Diese Art von Regelung, die den Einfluß von äußeren Störungen eliminiert, ist in der gleichzeitig eingereichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Optoelektronische Vorrichtung zur Erkennung eines Fadenbruchs"(unser Zeichen: T 2150) beschrieben.

Die Hauptbedeutung liegt in dem hier wiedergegebenen Anwendungsfall, wo ein Signal mit einer außerordentlich kleinen Amplitude ausgewertet werden soll, das wegen seiner kleinen Amplitude sehr leicht gestört werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der Schaltung eines Fadenwächters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Eine Leuchtdiode 1 emittiert ein infrarotes Lichtbündel, das von einem Fototransistor 2 empfangen wird. Die Art und V/eise, wie das Lichtbündel durch einen sich im Lichtbündel kon-

809847/1009

tinuierlich und geradlinig bewegenden Faden unterbrochen wird, ist für optoelektronische Garnreiniger bekannt, und wird daher nicht weiter beschrieben.

Der Fototransistor 2 wird zwischen der Masse und einer Spannungsquelle für + Zk Volt über eine Diode 3 und zwei Widerstände k und 5 versorgt. Eine Zenerdiode 6 und ein Kondensator 7 sind parallel an die Versorgungsanschlüsse gelegt und sorgen für eine Stabilisierung der Versorgungsspannung.

Die Diode 1 wird über die Diode 3, einen mit seinem Kollektor über einen Widerstand 9 an die Kathode der Diode 3 und mit seiner Basis an den Widerstand Zf angeschlossenen Transistor 8, einen den Emitter des Transistors 8 mit einem Transistor

11 verbindenden Widerstand 10 und die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 11 versorgt, wobei ein Kondensator

12 zu dieser Kollektor-Emitter-Strecke parallel gelegt ist.

Der Kollektor des Fototransistors 2 ist mit der Basis des Transistors 11 über eine Schaltung verbunden, die einen Widerstand 13, einen Differenzverstärker 1Zf mit einer Spannungsverstärkung gleich 1 und zwei Widerstände 15 und 16 mit einem geringen Widerstandswert umfaßt. Ein Widerstand 17 verbindet den Ausgang des Verstärkers 1Zf mit dessen inversem bzw. negativen Eingang.

Die Widerstände I5 und 16 bilden mit einem Kondensator 18, der ihren gemeinsamen Punkt mit der Masse verbindet, ein Tiefpaßfilter, dessen Grenzfrequenz wesentlich unterhalb der Minimalfrequenz liegt, mit der das Lichtbündel durch den Faden moduliert wird. Beispielsweise ist die Grenzfrequenz des Filters ungefähr 1 Hz, wenn der Widerstand I5 einen Wert von 6800 Ohm, der Widerstand 16 einen Wert von 3900 Ohm und der Kondensator 18 einen Wert von Zf7 Mikrofarad besitzt.

809847/1009

Der Kollektor des Fototransistors 2 ist mit dem Eingang eines Verstärkers I9 über einen Kondensator 20 verbunden, der mit einem Widerstand 21 in Reihe liegt. Beispielsweise besitzt der Kondensator 20 eine Kapazität von 3,3 Mikrofarad und der Widerstand 21 einen Wert von V700 Ohm, so daß die Grenzfrequenz des so gebildeten Hochpaßfilters in der Größenordnung von 10 Hz liegt.

Der Ausgang des Verstärkers I9 ist mit einem Einweggleichrichter 22 verbunden, auf den eine Schaltung mit einer asymmetrischen Zeitkonstante folgt, die von einem Kondensator 23 und drei Widerständen 2if, 25 und 26 gebildet wird, die in der in der Figur dargestellten Weise miteinander verbunden sind. Ein Differenzverstärker 27 wird über die Widerstände 28 und 29 mit Spannung versorgt und ist als Kippstufe mit zwei Auslöse-Sch'-vellwerten in Art eines'Schmitt-Triggers geschaltet.

Eine Leistungsstufe, die von zwei Transistoren 30 und 31 gebildet wird, die als Darlington-Stufe geschaltet sind, ist mit dem Ausgang der Kippstufe 27 über zwei Widerstände 32 und 33 verbunden, deren Verbindungspunkt über einen Kondensator 3^ an Masse gelegt ist.

Die Transistoren 30 und 31 werden über einen Widerstand 28 und eine Diode 35 mit Spannung versorgt. Eine Zenerdiode 36 verbindet den Kollektor des Transistors 31 mit Masse. Dieser Kollektor ist im übrigen mit einer Gleichspannungsquelle (+ J>1 Volt maximal) verbunden, die einen Fadenschneider oder ein Signalisat ionsrelais 37 über eine Diode 38 versorgt.

Im Betrieb hat die ständige Modulation des Lichtbündels durch die Struktur des Fadens die Erzeugung eines unregelmäßigen Signals am Kollektor des Fototransistors 2 zur Folge. Der

809847/1009

Verstärker 19 verstärkt dieses Signal, das durch die Schaltung 22 gleichgerichtet und durch die Baugruppe 23 bis 26 geglättet und an den Eingang der Kippstufe 27 angelegt wird.

Im normalen Betrieb, d.h. dann, wenn dieses Signal vorhanden ist, wird die untere Schwelle der Kippstufe 27 nicht unterschritten. Das Ausgangssignal der Kippstufe liegt somit auf dem O-Pegel und der Verstärker 30, 31 wird beständig gesperrt, so daß keinerlei Signalanzeige erzeugt wird. Wenn jedoch das Signal beispielsweise deshalb verschwindet, weil der Faden versehentlich gerissen ist, dann fällt in sehr kurzer Zeit während derer sich der Kondensator 23 entlädt, der Eingang der Kippstufe 27 auf einen Wert, der unterhalb der unteren Schwelle liegt, und hieraus ergibt sich eine Freigabe der Transistoren 30, 31 und somit das Auftreten einer Signalanzeige.

Der Widerstand 29 überträgt an den Eingang der Kippstufe 27 eine positive Reaktionsspannung, die aufgrund des Vorhandenseins der Dioden 35 und 38 unabhängig von der Last und der Versorgungsspannung ist. Somit hängen die Schwellwerte nicht von der Last ab. Die Zenerdiode 36 schützt den Leistungsverstärker gegen Störeinflüsse von der Versorgungsleitung.

Ein wesentliches Merkmal der Schaltung, das im folgenden beschrieben werden soll, besteht in der Regelung der Kollektorspannung des Fototransistors 2 durch die aus den Elementen 13 bis 16, dem Transistor 11, der Diode 1 und dem Lichtbündel gebildete Regelschleife. Diese Kollektorspannung wird durch die Summe der Spannungsabfälle an den Anschlüssen der Diode 1 (ungefähr 1,1 Volt und praktisch unabhängig vom Strom), an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 11 (ungefähr 0,65 Volt und praktisch unabhängig vom Strom) und an den Widerständen 15 und 16 auf einem definier-

809847/1009

ten Sollwert festgehalten, weil der Verstärker 1i+ eine Spannungsverstärkung gleich 1 besitzt.

Der Basisstrom des Transistors 11 ist sehr klein und die Widerstände haben niedrige Werte; somit ist der an ihnen auftretende Spannungsabfall genügend klein, so daß seine Änderungen gegenüber dem Sollwert vernachlässigbar sind.

V/enn eine Störung das Bestreben zeigt, den Strom durch die Diode 1 zu verändern, so ergibt sich hieraus eine im selben Sinn erfolgende Änderung des emittierten Lichtes und somit des Stroms, der im Fototransistor fließt. Daher ändert sich die Kollektorspannung im entgegengesetzten Sinn, was zur Folge hat, daß die Basisspannung des Transistors 11 in einem Sinn geändert wird, der geeignet ist, den Wert des Stroms in der Diode 1 wieder herzustellen. Diese Kompensation geschieht nicht für Frequenzen, die dem Nutzsignal entsprechen, da diese durch das Filter 15, 16,18 ausgefiltert bzw. abgehalten werden.

Da die Kollektorspannung des Fototransistors stabilisiert ist, ist dies auch der Strom, da die Versorgungsspannung selbst stabilisiert ist. Hieraus ergibt sich, daß der Fototransistor immer im A-Betrieb arbeitet, ohne daß die Gefahr einer Sättigung oder eines Beschneidens durch den Fototransistor besteht. Somit kann eine Störung, vorausgesetzt, daß sie innerhalb der Grenzen des Regelbereichs bleibt, kein Abschalten bzw. Außerbetriebsetzen der Vorrichtung zur Folge haben; unter diesem Blickwinkel besteht die Aufgabe der optischen Schleife darin, die Grenzen hinauszuschieben bzw. zu erweitern, jenseits derer das System außer Betrieb ist. Außerhalb dieser Grenzen kann nur eine Signalanzeige ausgelöst werden. Im übrigen bleibt selbst dann, wenn sich die Kennlinien

809847/1009

der Bauelemente verändern oder wenn Staub das Lichtbündel teilweise verdunkelt, der Signal Konstant, so daß eine einzigartige Regelung bzw. Einstellung des Gewinns des Verstärkers 19 durchgeführt werden kann, was der Vorrichtung eine erhöhte Empfindlichkeit verleiht.

Die Kompensation von Störungen durch die Begelschleife erfolgt nicht augenblicklich; daher können im Fall von Störungen vorübergehende Veränderungen des Stroms auftreten, die nicht der Modulation des Lichtbündels durch den Faden entsprechen. Diese Störungen werden, da sie ein sehr breites Frequenzspektr.um besitzen, kurzfristig durch das Filter 20, 21 aufgenommen und langfristig durch die Eegelschleife annulliert. Sie sind ohne Einfluß auf die Differenz des Nutzsignals, das beständig/isfi¹ Sie bleiben somit aufgrund der durch die Elemente 23, 2/f, 2.5, 2.6 durchgeführten Filterung ohne Einwirkung auf den Zustand der Einheit 37.

In dem Fall, in welchem die Anhäufung von Staub auf den optoelektronischen Einheiten zur Folge hat, daß ein sehr hoher Strom durch die Diode 1 fließt, der ausreicht, um den Transistor 11 zu sättigen, wird der an den Anschlüssen des Kondensators 12 erscheinende Widerstand sehr klein im Vergleich zum V/iderstand 10. In diesem Fall kann die Filterung der Restwelligkeit der Versorgungsspannung nicht mehr durch diesen Kondensator durchgeführt werden. Diese Funktion wird dann vom Transistor 8 übernommen, dessen Basisspannung und somit auch Emitterspannung durch die Zenerdiode 6 stabilisiert sind.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann in einem sehr großen Geschwindigkeitsbereich hinsichtlich der Vorbeibewegung des Fadens arbeiten. Ihre Empfindlichkeit hängt offensichtlich von der Lineargeschwindigkeit des Fadens und seiner Struktur bzw. Textur ab.

809847/1009

M [j —

Somit schafft die Erfindung eine optoelektronische Detektorvorrichtung, bei der ein Faden kontinuierlich und geradlinig durch ein Lichtbündel hindurchläuft, das "von einer
Leuchtdiode zu einem Fototransistor gesendet wird. Die Modulation des Lichtbündels durch die Unregelmäßigkeiten
des Fadenquerschnitts, die auf der Textur- bzw. Struktur
des Fadens beruhen, werden als Nutzsignal verwendet, verstärkt, gleichgerichtet und an eine Kippstufe mit zwei Ansprechschwellen angelegt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für einen Einsatz bei Fadenwächtern bzw. Garnreinigern geeignet.

809847/1009

Leerseite

Claims (3)

Patentansprüche :

1. Optoelektronische Erkennungsvorrichtung mit einem lichtemittierenden und einem lichtempfangenden Element, die miteinander durch ein Lichtbündel verbunden sind, sowie mit einer Vorrichtung, die einen Faden sich geradlinig und kontinuierlich in diesem Lichtbündel bewegen laßt, sowie mit einer Vorrichtung zur Auswertung des vom Fotodetektor abgegebenen modulierten Signals, dadurch gekennzeich net, daß die Auswertevorrichtung für das modulierte Signal ein Element umfaßt, das in der Lage ist, die ständig vorhandene, unregelmäßige Komponente des Signals zu erkennen, die sich aus der Struktur des Fadens ergibt, und daß eine Vorrichtung zum Auslösen einer Signalanzeige oder eines Steuerbefehls für den Fall des Verschwindens dieser unregelmäßigen Komponente vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger über eine Verbindungsschaltung,

DR. C. MANlTZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD 8 MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE i TEL. (089) 22 42 II. TELEX 05-29672 PATMF

809847/1 009

ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270 POSTSCHECK: MÜNCHEN 77062-805

die einen Verstärker umfaßt, mit einem Leistungsverstärker verbunden ist, der das lichtemittierende Element speist, wobei die Gesamtanordnung eine Regelschleife bildet, die sich über das Lichtbündel schließt, und daß ein Tiefpaßfilter in die Verbindungsschaltung geschaltet ist, das eine Grenzfrequenz besitzt, die merklich unterhalb der Minimalfrequenz der unregelmäßigen Komponente liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochpaßfilter den Lichtempfänger mit der Detektorvorrichtung verbindet und eine Grenzfreuqenz besitzt, die merklich oberhalb der Frequenz der Störungen liegt, die durch die Regelschleife korrigiert werden.

Zf. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Detektororgan einen Verstärker umfaßt, auf den ein Gleichrichter, ein Filter und eine Kippstufe mit zwei Auslöseschwellen folgen.

809847/1009