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Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter
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Die Erfindung betriff-t einen induktiven Zweidraht-N'herunp:sschalter,
mit einem Oszillator, der durch ein Anregungssignal in einen schwingenden ustand
und durch Einbringen eines aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Dzimnfungselementes
in sein Hochfreciuenzfeld von dem schwingenden in einen nicht schwingenden Zustand
zu überführen ist, wobei der Oszillator im schwingenden Zustand eine wesentlich
höhere Stromaufnahme als im nicht schwingenden Zustand hat.
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Ein derartiger Näherungsschalter ist aus der Zeitschrift "Elektrotechnik",
56. Jahrgang, Heft 11, 6. Juni 1974 bekannt und ist in dieser Zeitschrift unter
dem Titel Kontakt- und berührungslos" beschrieben. Derartige Nziherungsschalter,
die auch als Initiatoren bezeichnet werden, werden in der Industrie wegen ihrer
Vorteile gegenüber mechanischen Kontakten in großem Umfang eingesetzt. Im Prinzip
arbeitet ein derartiger Initiator folgendermaßen: Der Initiator enthalt einen ITF-Oszillator
mit einem LC-Resonanzkreis. Wenn in das lIF-Feld einer Induktionsspule ein elektrisch
leitendes Element eingebracht wird, tritt dadurch eine Dämpfung des Resonanzkreises
auf. Bei hinreichend großer Dämpfung wird die Schwingung des Oszillators unterdrückt.
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Diese Änderung dazu S<h'ii-i-;ui Schwin@@@@@@ hande wird in einer
Auswerteschaltung in ein Schaltsignal umgesetzt. Der nicht schwingende Zustand,
das heißt der gedäm-Dfte Zustand zeichnet sich durch eine kleine Stromaufnahme des
Oszillators aus. Der ungedäm-fte oder entdämpfte Zustand, das heißt der schwingende
Zustand, stellt sich normalerweise sofort wieder ein, wenn ein elektrisch leitendes
Material aus dem Bereich des HF-Feldes entfernt wird.
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Die Stromaufnahme ist im schwingenden Zustand des Oszillators wesentlich
höher als im nicht schwingenden Zustand. Diese Zustandsanderung kann daher als Schaltkriterium
ausgenutzt werden, wenn der jeweils vom Oszillator aufgenommene Strom ermittelt
und ausgewertet wird.
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Mit einem derartigen Näherungsschalter können kom>liziertere Schalt-
und Re£elnrobleme nicht in voll zufriedenstellender Weise gelöst werden.
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Der Erfindung liegt daher die A u f g a b e zugrunde einen Naherungsschal-ter
der eingangs nahergenannten Art zu schaffen, dessen Oszillator nach einer EntdamDfung
nur durch ein kurzzeitiges, vorgebbare elektrisches Anregungssignal in den schwingenden
Zustand versetzt werden kann und dann in diesen Schwingungs zus itand bleibt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß ein steuerbarer
Schalter vorgesehen ist, der durch ein vorgebbares Steuersignal von einem sperrenden
in einen leitenden Schaltzustand zu bringen ist, daß über den in den leitenden Zustand
gesteuerten Schalter dem Oszillator das Anregungssignal zugeführt wird, daß der
Schalter von dem schwingenden Oszillator im leitenden Zustand gehalten wird und
daß der Schalter von dem nicht schwingenden Oszillator in den gesperrten Zustand
gebracht wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen des
Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Näherungsschalter zeigt folgende vorteilhafte
Eigenschaften: Unabhängig davon, ob der Oszillator sich im gedmtften oder im ungedämPften
Zustand findet, wird durch das Einschalten der Speisespannung allein der schwingende
oder ungedämpfte Zustand nicht herbeigeführt. Der Oszillator kann vielmehr nach
dem Einschalten der Sneisespannung nur im ungedämpften oder nich-t schwingenden
Zustand durch ein kurzzeitiges oder imoulshaftes elektrisches Signal in den schwingenden
Zustand versetzt werden.
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Nach dem Ablauf des impulshaften elektrischen Signals verbleibt der
Oszillator des erfindungsgemäßen Niherungsschalters im schwingenden Zustand. Mit
anderen Worten, es genügt ein kurzzeitiges elektrisches Signal zur Anregung der
Schwingung und es verbleibt der Oszillator durch "Selbsthaltung" dann im schwingenden
Zustand.
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Weiterhin läßt sich für viele Anwendungsfälle die Eigenschaft des
erfindungsgemßen Näherungsschalters vorteilhaft ausnutzen, daß der schwingende Oszillator,
wenn er gedämpft wird, nicht nur in den nicht schwingenden Zustand übergeht, sondern
in diesem Zustand bleibt, bis erneut durch ein kurzzeitiges oder impulshaftes elektrisches
Signal die Schwingung wieder angeregt wird.
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Eine schaltungstechnische Vereinfachung ergibt sich dadurch, daß das
impulshafte elektrische Signal von der gleichen 8neisespannung abgeleitet werden
kann, mit der auch der Oszillator gespeist wird.
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Weiterhin kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemaßen Näherungsschalters das impulshafte elektrische Signal berührungslos
und kontaktlos erzeugt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemaßen
Näherungsschalters ist vorgesehen, daß ein bewegbares Dämpfungselement zwischen
den beiden Oszillatoren angeordnet sein kann, ohne einen der beiden Oszillatoren
von dem schwingenden in den nicht schwingenden Zustand zu bringen. Mit einer derartigen
Ausführungsform läßt sich in besonderes eleganter Weise eine Intervallschaltung
herstellen.
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Vorzugsweise ist weiterhin vorgesehen, daß die beiden Oszillatoren
räumlich derart dicht nebeneinander angeordnet sind, daß ein an den Oszillatoren
vorbeibewegbares Dämpfungselement in einer vorgebbaren Stellung beide Oszillatoren
zugleich so stark dämpft, daß sie von dem schwingenden in den nicht schwingenden
Zustand überführt werden. Eine derartige Anordnung eignet sich gut dazu,
eine
Stellungsmeldung über den Zustand oder die Stellung eines DamDfungselementes zu
liefern. Weiterhin kann mit einer derartigen Anordnung auch eine Bewegungsrichtung
erkannt und gemeldet werden, unabhngie davon, ob eine lineare Bewegung oder eine
Drehbewegung vorhanden ist.
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Eine weitere vorteilhaft Weiterbildung des erfindungsgemäßen N.nherungsschalters
sieht vor, daß die für die jeweilige Damsfungszeit der beiden Oszillatoren maßgebliche
Abmessung des an den Oszillatoren vorbeibewegbaren Dämpfungselementes und die Ladezeitkonstante
des Kondensators derart aufeinander abgestimmt sind, daß der Quotient aus der Abmessung
und der Zeit einer vorgegebenen Geschwindigkeit entspricht, mit der das DämDfungselement
an den Oszillatoren vorbeibewegt wird. Mit einer sehen Anordnung lißt sich die Geschwindigkeit
einer linearen Bewegungsrichtung ebenso wie die Drehzahl bei einer Drehbewegung
erkennen und die entsrechende Information in Abhängigkeit von Anwendungsfall weiter
verwenden.
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Ein besonders wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung
liegt darin, daß der gemäß der Erfindung aufgebaute Nherungsschalter "fehlersicher"
ausgebildet ist. Die Bedeutung der "Fehlersicherheit" ebenso wie die damit verknünften
Voraussetzungen und Bedingungen sind in der eingangs genannten Druckschrift im einzelnen
naher erläutert. Da für viele Anwendungsgebiete eine "Fehlersicherheit" von Meß-
und Uberwachungseinrichtungen zwingend erforderlich ist, eröffnen sich für den erfindungsgemäßen
Näherungsschalter durch seine "Fehlersicherheit" besonders mannigfaltige Verwendungsmöglichkeiten.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen: Figur 1 ein Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Näherungsschalters,
Figur 2 eine alternative
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nnherungsschalters, Figur 3 eine der in der
Figur 2 dargestellten Ausführungsform sehr .ähnliche Variante des erfindungsgemäßen
Näherungsschalters und Figur 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung der Art
und Weise, in welcher gemäß der Erfindung eine Intervallschaltung, eine Stellungameldung,
die Erkennung einer Bewegungsrichtung und die Erkennung der Geschwindigkeit einer
Bewegungsrichtung gerätetechnisch realisiert werden können.
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Gemäß der Darstellung in der Figur 1 wird die Hochfrequenzschwingung
des Oszillators 1 aus dem H?-Feld der Oszillatorspule 2 über eine Hilfsspule 3 ausgekoppelt,
die mit der Oszillatorsnule 2 induktiv gekoppelt ist. Die in der Hilfsspule 3 induzierte
Wechselsnannung wird über die Diode 4 gleichgerichtet, und die auf diese Weise gewonnene
Gleichspannung wird durch den Kondensator 5 geglättet. Die eine Seite bzw. die eine
Elektrode des Kondensators 5 ist mit der Basis eines Transistors 6 verbunden, wahrend
die andere Elektrode des Kondensators 5 über einen Widerstand 7 mit dem Emitter
des Transistors 6 verbunden ist.
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Die in der Figur 1 schematisch dargestellte Schaltung arbeitet im
Prinzip folgendermaßen: Wenn die Speisespannung V eingeschaltet wird, nimmt die
Schaltung zunächst keinen Strom auf, da der Transistor 6 gesperrt ist. Folglich
kann der Oszillator 1 nicht anschwingen. Wenn der Transistor 6 nur kurzzeitig aufgesteuert
wird, so wird der Oszillator mit Spannung versorgt, und die Schwingung des Oszillators
setzt ein.
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Dabei sei angenommen, daß sich kein Dämpfungselement im Bereich der
Oszillatorspule 2 befindet. In.der Hilfsspule 3 wird dann
eine
Wechselspannung induziert, die gemäß der obigen Beschreibung über die Diode 4 gleichgerichtet
und durch den Kondensator ge:Alättet wird. Die gleichgerichtete und gegRättete Spannung
wird der Basis des Transistors 6 zugeführt. Dadurch bleibt der Transistor durchlässig,
so daß die Schaltungsanordnung in eine "Selbs2altung" übergeht.
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Daher genügt ein kurzzeitiges oder impulshaftes elektrisches Signal,
um den Oszillator aus dem gedämpften oder nicht schwingenden Zustand in den entdompften
oder schwingenden Zustand zu überführen, da durch die Selbsthaltung der schwingende
Zustand des Oszillators 1 aufrechterhalten bleibt, sobald einmal der schwingende
Zustand erreicht ist.
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Die aus dem Kondensator 5, einem Emitterwiderstand 7 und dem Transistor
6 gebildete Schaltungsanordnung stellt im wesentlichen eine Stromkonstantschaltung
dar. Mit dem Emitterwiderstand 7 kann für die gesamte in der Figur 1 dargestellte
Schaltungsanordnung die Stromaufnahme auf einen vorgebbaren Wert eingestellt werden.
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Die Verwendung der Stromkonstantschaltung für die Speisung des Oszillators
1 bringt den Vorteil mit sich, daß mit einfachen gerätetechnischen Mitteln die Stromaufnahme
der Gesamtschaltung eingestellt werden kann und zugleich die Strombelastung der
Hilfsspule 3 bei hinreichender Verstärkung des Transistors 1 sehr gering gehalten
werden kann. Das bei der Schaltung gemäß der Figur 1 zur Anregung der Schwingung
der Oszillatorspule 2 verwendbare kurzzeitige oder impulshafte Signal kann beispielsweise
dadurch bereitgestellt werden, daß ein (nicht dargestellter) Kondensator über die
Emitter-Basis-Strecke des Transistors 6 entladen wird.
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Wenn der in der Figur 1 dargestellte Oszillator sich in seinem schwingenden
Zustand befindet und durch Einbringen eines Steuerelementes
ein
einziges Mal in den nicht schwingenden Zustand gedämpft wird, so wird dadurch die
Spannung am Kondensator 5 zu null. Der Transistor 6 wird dann gesperrt, und die
Strom aufnahme der gesamten Schaltungsanordnung wird ebenfalls zu null. Nach dem
Entfernen eines Steuerelementes aus dem Bereich der Oszillatorspule 2 kann die Schwingung
von selbst nicht wieder einsetzen. Die Gesamtschaltung nimmt auch dann keinen Strom
auf, wenn die SEeisesannung V anliegt. Erst durch eine erneute Anregung des Transistors
ó kann der Oszillator 1 wieder in den schwingenden Zustand versetzt werden. Sobald
dies geschehen ist, kann dieser schwingende Zustand durch die t'Selbsthaltungt'
auch nach dem Abschalten des Anregungssignals aufrechterhalten werden.
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Sollte in dem Oszillator 1 ein Fehler auftreten, so setzt die Schwingung
aus. Die Selbsthaltung entfällt damit, und die Stromaufnahme der Gesamtschaltung
geht auf null. Ein Fehler in einem der übrigen Bauelemente führt zu demselben Ergebnis,
mit der Ausnahme, daß bei einem Kurzschluß des Transistors 6 der Strom der Gesamtschaltung
wesentlich höher wird. Folglich ist durch die in der Figur 1 dargestellte Schaltung
sichergestellt, daß der schwingende Zustand des Oszillators 1 nur durch eine bewußte
und absichtliche Anregung herbeigeführt werden kann und auch praktisch nur bei einer
ordnungsgemäßen Arbeitsweise der gesamten Schaltung aufrechterhalten werden kann.
Damit ist der Vorteil erreicht, daß eine praktisch weitgehend und nahezu vollständig
fehlersichere Anordnung für einen Näherungsschalter geschaffen ist.
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Die Figur 2 veranschaulicht eine Schaltung, bei welcher die Ableitung
eines impulahäften Anregungasignais zur Anregung der Schwingung des Oszillators
1 mit Hilfe eines Hilfsoszillators 8 erfolgt. Der Hilfsoszillator 8 kann in seinem
Aufbau und in seiner Arbeitsweise dem als Arbeitsoszillator zu bezeichnenden Oszillator
1 entsprechen.
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Wenn die Speisespannung V angelegt wird, schwingt der ungedämpfte
Hilfsoszillator 8 sofort an. Der durch den schwingenden Hilfsoszillator 8 fließende
Strom erzeugt am Widerstand 9 einen Spannungsabfall, und es wird über den Emitterwiderstand
7 ein Kondensator 10 auf die Spannung am Widerstand 9 aufgeladen. In diesem Betriebszustand
schwingt der Oszillator 1 nicht und nimmt daher auch keinen Strom auf.
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Sobald der Hilfsoszillator 8 bewußt gedämpft wird, verringert sich
seine Stromaufnahme wesentlich, und es wird dadurch der Spannungsabfall am Widerstand
9 verringert. Folglich muB der Kondensator 10 einen Teil seiner Ladung abbauen.
Die dadurch hervorgerufene Entladung kann nur über den Emitterwiderstand 7 und parallel
zu diesem Emitterwiderstand über die Reihenschaltung aus der Emitter-Basis-Strecke
des Transistors 6 und dem Kondensator 5 geschehen. Parallel zu dem Kondensator 5
sind hintereinander die Hilfsspule 3 und die Diode 4 angeordnet.
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Der Transistor 6 wird durch den von dem Kondensator 10 abgegebenen
Entladeimpuls kurzzeitig aufgesteuert, der Oszillator 1 schwingt an und geht gemäß
der obigen Beschreibung in die Selbsthaltung. Wenn anschließend der Oszillator 1
gedämpft wird, setzt die Schwingung aus und kann erst dann wiedereinsetzen, wenn
eine erneute bewußte impulshafte Anregung durch eine Dämpfung des Hilfsoszillators
8 erfolgt.
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Es ist zweckmäßig, den Widerstand 9 so zu dimensionieren, daß die
Stromaufnahme des Hilfsoszillators 8 gegenüber dem Konstantstrom im Oszillator 1
wesentlich kleiner ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß eine unterschiedliche
Stromaufnahme der Gesamtschaltung zwischen dem schwingenden und dem nicht schwingenden
Zustand des Oszillators 1 leicht erkennbar und eindeutig auswertbar ist.
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Ein Fehler im Hilfsoszillator 8 führt immer dazu, d.-., die Schwi,gung
des O:,.>,il..,or, 8 -uc; Eine Änderung der Spannung am Widerstand 9 ist dann
nicht mehr möglich.
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Folglich kann auch der Transistor 6 nicht mehr angeregt werden. -Auch
beim Ausfall des Kondensators 10 kann eine Anregung nicht mehr stattfinden. Folglich
ist bei der in der Figur 2 dargestellten Schaltung ein hohes Maß an Fehlersicherheit
gewährleistet.
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Die in der Figur 3 veranschaulichte Variante der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der Schaltung nach der Figur 2 nur dadurch,
daß der Hilfsoszillator 8 und der Widerstand 9 vertauscht angeordnet sind. Dadurch
wird gegenüber der Schaltung gemäß Figur 2 lediglich eine Phasendrehung um 180 Grad
bei der Ableitung des Anregungsimpulses erreicht.
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Wenn der eigentliche Arbeitsoszillator, nämlich der Oszillator 1,
und der Hilfsoszillator 8 räumlich derart angeordnet werden, daß gemäß der Darstellung
in der Figur 4 ein Dämpfungselement 14 zwischen den beiden Oszillatoren angeordnet
werden kann, ohne daß einer dieser beiden Oszillatoren gedämpft wird, laßt sich
mit einer derartigen Anordnung eine t'Intervallschaltung" herstellen. Es läßt sich
nämlich das Intervall feststellen, in welchem sich das in Bezug auf die Oszillatoren
bewegbare Dämpfungselement 14 befindet.
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Wenn an die Schaltungsanordnung gemaß der Figur 4 die Speisespannung
V angelegt wird, schwingt zunächst nur der Hilfsoszillator 8. Die Schwingung des
Oszillators 1 kann erst dann einsetzen, wenn der Hilfsoszillator 8 einmal durch
das Dämpfungslement 14 gedämpft worden ist. Andererseits setzt die Schwingung des
Oszillators 1 erst dann aus, wenn das
Dämpfungselement 14 den Oszillator
1 anschließend dämpft.
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Der Oszillator 1 ändert also nur dann seinen Schwingungszustand, wenn
das Dämpfungselement 14 die Entfernung, das heißt das Intervall, zwischen dem Oszillator
1 und dem Hilfsoszillator 8 und umgekehrt zurücklegt.
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Mit der Anordnung nach der Figur 4 ist auch eine Erkennung der Bewegungsrichtung
und/oder der Stellung des Dämpfungselementes 14 möglich. Für derartige Anwendungen
ist es im allgemeinen zweckmäßig, die beiden Oszillatoren, nämlich den Oszillator
1 und den Hilfsoszillator 8, räumlich dicht nebeneinander anzuordnen. Wenn das Dämpfungselement
14 vom Oszillator 1 aus in Richtung auf den Hilfsoszillator 8 und dann über den
Hilfsoszillator 8 hinaus bewegt wird, setzt nach der Beeinflussung des Hilfsoszillators
8 die Schwingung des Oszillators 1 ein.
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Diese Schwingung setzt erst dann wieder aus, wenn das Dämpfungselement
14 in der umgekehrten Richtung den Oszillator 1 damit.
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Der Schwingungszustand des Oszillators 1 ist also ein Kriterium dafür,
in welcher Richtung das Dämpfungselement 14 an den beiden Oszillatoren vorbeigeführt
worden ist.
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Es hangt im wesentlichen von der Größe des Dämpfungselementes 14 im
Vergleich zu dem Abstand der Beeinflussungspunkte des Oszillators 1 und des Hilfoszillators
8 ab, welche der dargestellten und beschriebenen Schaltungen am zweckmäßigsten verwendbar
ist.
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Eine Schaltungsanordnung nach der Figur 4 ist auch dazu geeignet,
die Geschwindigkeit zu ermitteln, mit welcher ein Dämpfungselement 14 an den beiden
Oszillatoren vorbeibewegt wird. Hierbei ist es vorteilhaft, daß bei der in der Figur
3 dargestellten Schaltung die Ladezeitkonstante des Kondensators 10 auf einen vorgebbaren
Wert eingestellt werden kann, ohne daß die Entladezeitkonstante des Kondensators
10 nennenswert verändert wird.
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Auf diese Weise läßt sich das Uberschreiten oder das Unterschreiten
einer bestimmten Geschwindigkeit bestimmen, mit welcher das Dämpfungselement 14
an den Oszillatoren vorbeibewegt wird.
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Durch entsprechende Wahl der wirksamen Längsausdehnung s des Dämpfungselementes
14 in Verbindung mit der einstellbaren Ladezeit t des Kondensators 10 kann die Geschwindigkeit
c bestimmt werden, mit welcher das Dämpfungselement 14 an den Oszillatoren vorbeigeführt
wird.
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Es können wahlweise durch entsprechende Dimensionierung des Dämpfungselementes
14 sowie des Abstandes zwischen dem Oszillator 1 und dem Hilfsoszillator 8 eine
Intervallschaltung, eine Stellungsmeldung oder auch die Erkennung einer Bewegungsrichtung
sowie die Erkennung der Geschwindigkeit bei einer solchen Bewegungsrichtung ratetechnisch
gemäß der Erfindung in eleganter Weise realisiert werden.
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Von der räumlichen Anordnung des Oszillators 1 und des Hilfsoszillators
8 abgesehen, entspricht das in der Fig. 4 dargestellte Blockschaltbild der elektrischen
Schaltung nach der Fig. 2. Natürlich könnte auch die Schaltungsanordnung nach der
Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellt werden. Die Steuerschaltung 13 beinhaltet
dabei jeweils die Bauelemente 3 bis 7 sowie 9 und 10.
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Natürlich könnten auch ansatt der jeweils dargestellten Transistor-Typen
entsprechende Transistor-Typen mit umgekehrter Leitfähigkeit verwendet werden, wenn
die zugehörige Schaltung in der dem Fachmann geläufigen Weise angepaßt wird. Beispielsweise
ist in der Fig. 1 der Transistor 6 als pnp-Transistor dargestellt. E ne gleichwertige
Schaltung ließe sich jedoch unter Verwendung eines npn-Transistors verwenden, wobei
in diesem Fall lediglich die Polaritäten vertauscht werden müßten.
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