DE2910491C2

DE2910491C2 -

Info

Publication number: DE2910491C2
Application number: DE2910491A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Isle D'espagnac Fr Periot
Original assignee: La Telemecanique Electrique SA
Current assignee: Telemecanique SA
Priority date: 1978-03-17
Filing date: 1979-03-16
Publication date: 1989-05-18
Also published as: DE2910491A1; US4267522A; FR2420119A1; IT1111516B; CH630726A5; IT7920932A0; FR2420119B1

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven und analogen Näherungsdetektor mit einem parallelgeschalteten Schwingkreis, dessen Überspannungkoeffizient und dessen Eigenimpedanz sich in Abhängigkeit von der Entfernung eines metallischen Gegenstandes ändern, der die Spule und ein Verstärkungsorgan beeinflußt, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß der Ausgangsstrom des Verstärkungsorgans in den Schwingkreis über einen Widerstand eingespeist wird und der Schwingkreis einen Teil eines Rückkopplungskreises zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkungsorgans bildet.

Derartige analoge Näherungsdetektoren sind in zahlreichen industriellen Bereichen anwendbar, beispielsweise zum Sortieren von Gegenständen in Abhängigkeit von ihren Abmessungen oder von ihrer Stellung, zur Messung ihrer Annäherungsgeschwindigkeit, zur Anzeige ihrer Bewegungsrichtung und dergleichen.

In derartigen Anwendungsbereichen handelt es sich um Entfernungen, die im allgemeinen einige Zentimeter nicht überschreiten, und in dieser Größenordnung von Entfernungen wäre es zweckmäßig, ein analoges Signal zu erzeugen, das eine möglichst lineare Funktion von der Entfernung ist.

Die bekannten Schaltungen besitzen nicht eine ausreichende Linearität, und zwar insbesondere deshalb, weil sie mit konstanter Spannung gespeist werden und weil das Ausgangssignal an der Hochfrequenzschwingung selbst entnommen wird, was eine Störung im Betrieb des Schwingkreises mit sich bringt, indem an seinen Anschlüssen eine Impedanz hervorgerufen wird.

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltung zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator über einen Eingangsanschluß von einem im wesentlichen konstanten Speisestrom beaufschlagt ist, daß der Wert des Widerstands so niedrig gewählt ist, daß der Oszillator die Schwingungsbedingung auch schon bei nahe Null liegenden Entfernung D des abzutastenden Gegenstands vom Parallelschwingkreis erfüllt, und daß der zur Speisung dienende Eingangsanschluß des Oszillators gleichzeitig einen Ausgangsanschluß dieses Oszillators zur Abgabe eines analogen Ausgangssignals bildet, welches zwischen diesem Ausgangsanschluß und einem auf Festpotential liegenden Ausgangsanschluß des Parallelschwingkreises anliegt.

Die einzelnen Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 daß elektrische Schaltbild eines Näherungsdetektors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Kurve, die die Arbeitsweise des Detektors veranschaulicht, und

Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Schaltung, die einige zusätzliche Merkmale besitzt.

Fig. 1 zeigt einen Schwingkreis, der aus zwei Induktanzen 1 und 2 besteht, die in einem Ferrittopf montiert sind und miteinander gekoppelt sind. Die Induktanz 1 mit dem Wert L₁ bildet zusammen mit einem parallelgeschalteten Kondensator 3 mit dem Wert C 1 einen Resonanzkreis, in dem sich eine Hochfrequenzschwingung entwickelt, sofern die Energieverluste durch Einspeisung eines Stroms über einen Widerstand 4 mit dem Wert R _E ausgeglichen werden. Dieser Strom wird durch einen Transistor 5, beispielsweise einen npn-Transistor, geliefert, der durch einen einen konstanten Strom erzeugenden Generator 6 gespeist wird. Die Schaltung wird an einem Speiseanschluß 61 mit einer Gleichspannung +V gespeist.

Ein Widerstand 7 mit dem Wert R 3 ist zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 5 angeordnet, während ein mit der Induktanz 2 (mit dem Wert L₂) in Reihe geschalteter Kondensator 8 zwischen der Basis und dem dem Widerstand 4 und dem Resonanzkreis gemeinsamen Punkt angeordnet ist. Ein Kondensator 9 ist an den Anschlüssen des auf diese Weise gebildeten Schwingkreises parallelgeschaltet, d. h. zwischen dem Kollektor des Transistors 5 und dem Massepunkt des Resonanzkreises.

sei die Impedanz des Schwingkreises mit der Eigenschwingung ω, wobei Q₁ sein Überspannungskoeffizient bei Fehlen eines nahen Metallteils ist. Bei Vorhandensein eines Metallteils in der Entfernung D von dem Topf nimmt Q₁ einen Wert Q(D) und Z₁ einen Wert Z(D) an.

Man kann nachweisen, daß die Grenzbedingung für die Unterhaltung der Schwingungen durch die Gleichung

R _E # Z(D)/2 N

gegeben ist, wobei N das relativ hohe Verhältnis zwischen den Windungszahlen der Wicklungen 1 und 2 ist (die so gewickelt sind, daß der in die Wicklung 2 wieder eingespeiste Strom mit dem Ausgangshochfrequenzsignal des Transistors in Phase ist).

In der Praxis gibt man R _E einen sehr niedrigen Wert, so daß die Bedingung der Unterhaltung der Schwingungen erreicht ist, wenn die Werte Q(D) oder Z(D) ihrerseits sehr niedrig sind.

Nun ist dies der Fall, wenn sich das Metallteil, dessen Näherung abgetastet werden soll, seinerseits in einem sehr geringen Abstand von dem Topf befindet. Wenn das Metallteil sehr weit entfernt ist, erreichen Q _(D) oder Z _(D) ihre Eigenwerte Q₁ bzw. Z₁, die größer als Q ₍₀₎ und Z ₍₀₎ sind. Die Schwingung wird also unabhängig von D unterhalten.

Die Scheitelspannung Vc des Hochfrequenzsignals ist gleich

wobei I der von dem Generator 6 gelieferte konstante Strom ist.

Die durch den Kondensator 9 gefilterte Gleichspannung Vosc an den Anschlüssen des Oszillators weicht von Vc wenig ab (da der Transistor praktisch gesättigt ist, ist seine Spannung zwischen Kollektor und Emitter praktisch Null, wenn der Wert von R _E sehr niedrig ist).

Daraus ergibt sich schließlich, daß die Gleichspannung Vosc eine quasi lineare Funktion von der Entfernung D ist, und zwar in einem Entfernungsbereich von beispielsweise weniger als 50 mm.

Diese Spannung wird durch einen Transistor 10, beispielsweise einen npn-Transistor, verstärkt, dessen Emitter über einen Widerstand 11 mit dem Wert R mit der Masse verbunden ist. Der Strom Is, der diesen Transistor durchquert und durch ein Amperemeter 12 gemessen wird, ist im wesentlichen gleich dem Verhältnis V _R/R zwischen der Spannung an den Anschlüssen des Widerstandes 11 und dem Wert R dieses Widerstandes. Man erhält schließlich:

wobei V _BE die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors 10 ist. (Da dieser einen hohen Verstärkungsfaktor hat, ist sein Basisstrom vernachlässigbar.) Der Strom I _s ist somit eine quasi lineare Funktion von der Entfernung D.

Wenn man ein analoges Spannungssignal wünscht, genügt es, das Amperemeter 12 durch einen Widerstand 120 mit dem Wert R _s (in unterbrochenen Linien gezeichnet) zu ersetzen. Die Spannung Vs an den Anschlüssen dieses Widerstandes ist nun im wesentlichen gleich

d. h. eine quasi lineare Funktion von D.

In der Realität besitzt die Kurve Vosc = f (D) in der beschriebenen Schaltung die beiden in Fig. 2 veranschaulichten Linearitätsfehler.

Der Linearitätsfehler in der Nähe von D = 0 wird zweckmäßigerweise dadurch korrigiert, daß man den einen konstanten Strom erzeugenden Generator 6 durch einen Widerstand 60 (in Fig. 1 in unterbrochener Linie gezeichnet) mit einem Wert R₆₀ ersetzt, der gegenüber der veränderlichen Impedanz Zosc zwischen den Anschlüssen der Oszillatorschaltung groß ist. Man erhält nun

Mit anderen Worten, Vosc ist nun eine hyperbolische Funktion von Zosc, die asymptotisch auf die Speisespannung V zustrebt, wenn Zosc zunimmt, und in Nähe von Z = 0 eine Krümmung besitzt, die der der Kurve von Fig. 2 entgegengesetzt ist. Man kann auf diese Weise durch eine entsprechende Wahl von R₆₀ den Linearitätsfehler Vosc in Abhängigkeit von D in der Nähe von D = 0 korrigieren. Diese Korrektur hat dagegen die Wirkung, daß der Linearitätsfehler bei den für D zugelassenen höchsten Werten verstärkt wird. Dieser Fehler wird zweckmäßigerweise dadurch korrigiert, daß man, wie Fig. 1 zeigt, parallel zu dem Widerstand 11 eine Zenerdiode 13 (oder ein anderes nichtlineares Schwellenelement) anordnet, die mit einem Widerstand 14 mit dem Wert R₁₄ in Reihe geschaltet ist.

Bei den niedrigen Werten von D bleibt die Zenerdiode blockiert, so daß I _s durch ihr Vorhandensein nicht geändert wird. Bei den relativ hohen Werten von D wird der Wert R durch

ersetzt, wodurch die Anstiegsneigung von I in Abhängigkeit von der Entfernung zunimmt. Auf diese Weise kann der Linearitätsfehler korrigiert werden, der bei den relativ hohen Werten von D auftritt.

Der Oszillator wird durch die Verstärkungsstufe 5 nicht beeinflußt, da diese eine hohe Eingangsimpedanz hat. Das Ausgangssignal wird zwischen dem Anschluß zur Speisung des Oszillators mit konstantem Strom und der Masse entnommen, und nicht an dem Hochfrequenzsignal.

Da die Verluste des Resonanzkreises mit der Temperatur zunehmen und Vosc infolgedessen dazu neigt, bei zunehmender Temperatur abzunehmen, da die Verstärkungsstufe 10 dagegen eine Spannung V _BE hat, die abnimmt, und einen Verstärkungsfaktor, der bei zunehmender Temperatur zunimmt, kann eine Kompensierung zwischen den entgegengesetzen Einflüssen der Temperatur auf die Oszillatorstufe und auf die Verstärkungsstufe durch eine geeignete Wahl ihrer Parameter erreicht werden.

Fig. 3 zeigt dieselben Bauelemente wie Fig. 1, wobei diese mit denselben Bezugszahlen versehen sind. Der Emitter des Transistors 5 ist direkt mit der Induktanz 1 verbunden, d. h. R _E = 0. Der Kondensator 3 ist mit dem warmen Punkt der Wicklung 2 verbunden, und nicht, wie in Fig. 1, mit dem warmen Punkt der Wicklung 1. Die Speisung +V geht über eine Diode 15 vor sich, die eine Polaritätsumkehrung im Fall eines falschen Anschlusses verhindern soll, und die Rückleitung zur Masse geht über den Widerstand 60 und einen Ballast vor sich, der aus einem pnp-Transistor 16 besteht, dessen Basisspannung durch eine Zenerdiode 17 festgelegt wird und dessen Basis mit dem Kollektor über einen Widerstand 18 verbunden ist.

Die Spannungg Vosc wird durch eine "Darlington"-Schaltung verstärkt, die aus zwei pnp-Transistoren 19 und 20 besteht: der dem Emitter des Transistors 19 und der Basis des Transistors 20 gemeinsame Punkt ist mit dem Speiseleiter über einen Widerstand 21 verbunden, der durch einen Kondensator 22 entkoppelt ist. Der Widerstand 21 gestattet das Abfließen der Ableitungsströme, die auftreten können, wenn der Transistor 19 blockiert ist. Der Strom Is durchquert den Transistor 20 und einen in Reihe geschalteten Widerstand 11. Die Zenerdiode 13 und der Widerstand 14, die zu dem Widerstand 11 parallelgeschaltet sind, haben dieselbe Aufgabe wie die Bauelemente, die in Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen versehen sind.

Die Erfindung betrifft einen Näherungsfühler mit einem parallelen Schwingkreis 1, 3, dessen Induktanz 1 durch das Metallteil, dessen Entfernung festgestellt werden soll, beeinflußt wird und der einen Teil eines Oszillators (Transistor 5, Rückkopplungskreis 4, 8) bildet.

Die Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator mit konstantem Strom gespeist wird (Generator 6), daß der Widerstand 4 zur Einspeisung des Stroms in den Schwingkreis praktisch Null ist und daß das Ausgangssignal Vosc an den Anschlüssen des Oszillators entnommen wird.

Diese Schaltung ist für eine Vorrichtung anwendbar, die ein lineares analoges Signal als Funktion von der Entfernung zum Sortieren von Gegenständen oder zum Messen ihrer Annäherungsgeschwindigkeit benutzt.

Claims

1. Näherungsdetektor mit einem eine Induktanz (1) umfassenden Parallelschwingkreis (1, 3), dessen Überspannungskoeffizient und Eigenimpedanz infolge der sich ändernden Induktanz (1) von der jeweiligen Entfernung eines abzutastenden metallischen Gegenstands abhängt und dem ein Verstärkungsorgan (5) zugeordnet ist, um einen Oszillator (1-4, 7, 8) zu bilden, bei dem der einen Teil eines Rückkopplungsnetzwerks (1-4, 8) bildende Parallelschwingkreis zu dessen Entdämpfung über einen Widerstand (4) vom Ausgangsstrom des Verstärkungsorgans beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (1-4, 7, 8) über einen Eingangsanschluß von einem im wesentlichen konstanten Speisestrom beaufschlagt ist, daß der Wert des Widerstands (4) so niedrig gewählt ist, daß der Oszillator die Schwingungsbedingung auch schon bei nahe Null liegenden Entfernungen (D) des abzutastenden Gegenstands vom Parallelschwingkreis (1, 3) erfüllt, und daß der zur Speisung dienende Eingangsanschluß des Oszillators (1-4, 7, 8) gleichzeitig einen Ausgangsanschluß dieses Oszillators zur Abgabe eines analogen Ausgangssignals bildet, welches zwischen diesem Ausgangsanschluß und einem auf Festpotential liegenden Ausgangsanschluß des Parallelschwingkreises (1, 3) anliegt.

2. Näherungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Oszillators (1-4, 7, 8) einer einen Transistor (10; 19, 20) in Emitterschaltung oder in Kollektorgrundschaltung umfassenden Verstärkerschaltung zugeführt ist.

3. Näherungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des dem Oszillator (1-4, 7, 8) zugeführten, im wesentlichen konstanten Speisestroms ein Widerstand (60) zwischen eine Speisequelle (+V) und den Oszillator (1-4, 7, 8) geschaltet ist, dessen Wert gegenüber der zwischen den Eingangsanschlüssen des Oszillators liegenden Impedanz hoch ist und in Abhängigkeit von Linearitätsfehlern des Ausgangssignals des OszillatorS (1-4, 7, 8) gewählt ist, die in einem unteren Teil des Meßbereichs geringerer Entfernungen des metallischen Gegenstands auftreten, um diese Linearitätsfehler zu kompensieren.

4. Näherungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Zenerdiode (13) und einen Widerstand (14) umfassender Serienkreis parallel zu einem Widerstand (11) geschaltet ist, der in Reihe mit dem Transistor (10; 19, 20) der Verstärkerschaltung liegt, und daß die Werte dieser Bauelemente in Abhängigkeit von Linearitätsfehlern des Ausgangssignals des Oszillators (1-4, 7, 8) gewählt sind, die in einem oberen Teil des Meßbereichs höherer Entfernungen des metallischen Gegenstands auftreten, um diese Linearitätsfehler zu kompensieren.

5. Näherungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des dem Oszillator (1-4, 7, 8) zugeführten Speisestroms ein Transistor (16) und eine Zenerdiode (17) vorgesehen sind, die zusammen eine Ballastschaltung bilden.