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Optoelektrischer Näherungsschalter
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optoelektrischen
Näherungsschalter mit Arbeitsbereich im sichtbaren wie im unsichtbaren Licht.
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Näherungsschalter arbeiten mit einem Sender, der ein moduliertes Signal
ausstrahlt und einem Empfänger, der das reflektierte Signal aufbereitet und mit
dem ausgesandten Signal vergleicht. Solche Näherungsschalter gibt es für die verschiedensten
Anwendungsbereiche mit diversen Wellenlängen als Arbeitsbereich. Gearbeitet wird
heute sowohl im Ultraschall- als auch im sichtbaren oder unsichtbaren Lichtbereich.
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Für optoelektrische Näherungsschalter wurden je nach Arbeitsbereich
verschiedene Lichtquellen als Sender
verwendet. Für den sichtbaren
Lichtbereich wurden bisher Näherungsschalter mit Glühlampen hergestellt. Diese weisen
den Vorteil auf, das gesamte Farbenspektrum zu emittieren, so dass mit Farbfilter
eine beliebige Farberkennung möglich ist. Nachteilig ist jedoch, dass die Glühlampe
eine relativ geringe Lebensdauer aufweist, erschütterungsempfindlich ist und wegen
ihrer Trägheit mit höheren Frequenzen nicht modulierbar ist.
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In neuerer Zeit sind Halbleiter Leuchtdioden im sichtbaren Lichtbereich
mit genügender Leistung erhältlich, die auch zum Einsatz im Näherungsschalter geeignet
sind.
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Diese Lichtquellen haben gegenüber der Glühlampe diverse Vorteile.
Sie lassen sich hervorragend frequenzmodulieren, haben eine fast unbegrenzte Lebensdauer,
benötigen nur wenig Energie und sind äusserst unempfindlich.
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Leider arbeiten diese Elemente mit fast monochromatischem Licht, so
dass zur Erfassung des gesamten Farbenspektrums verschiedene Spaktralfarben verwendet
werden müssen. Hierzu stehen bereits hervorragende Leuchtdioden für die Farben rot,
gelb und grün zur Verfügung und laut einer Pressemitteilung der Firma?Plessy &
Ferranti werden auch blaue LED's in naher Zukunft auf dem Markt kommen.
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Schliesslich sind auch noch Näherungsschalter mit Arbeitsbereich im
unsichtbaren Licht erhältlich. Auch hier werden verschiedene Lichtquellen als Sender
verwendet. Einerseits die bereits genannte Glühlampe, die
auch einen
erheblichen Infrarot-Anteil ausstrahlt und andererseits Halbleiter mit Infrarot-Emitter,
wie z.B.
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die Gallium-Arsenid-Diode. In diesem 3ereich weist der Halbleiter
keine Nachteile sondern nur Vorteile gegenüber der Glühlampe auf.
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Jeder bisher bekannte Näherungsschalter hat somit seine besondere
Charakteristik und dadurch seinen besonderen Einsatzbereich. Eine Anwendung von
Näherungsschalter für komplexere Einsätze bei der mehrere Informationssignale erfasst
und gewertet werden müssen, war bisher nicht möglich.
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Die Brfindung stellt sich zur AuSgabe, einen Näherungsschalter zu
schaffen, der annähernd simultan mehrere Sendesignale verschiedener Wellenlänge
ausstrahlen und empfangen kann, wobei die Empfangssignale gewertet werden können.
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Diese Aufgabe löst ein optoelektrischer Näherungsschalter mit Arbeitsbereich
im sichtbaren wie im unsichtbaren Licht, dadurch gekennzeichnet, dass sein Senderteil
mindestens ein monochromatisches Licht ausstrahlendes - und mindestens ein unsichtbares
Licht ausstrahlendes Halbleiterelement umfasst, das sequentiell ausgestrahlt wird
und dass sein Empfängerteil die reflektierten Sendesignale abtastet und auswertet.
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Um die anstehenden Signale zu werten, wird untersucht, ob sie innerhalb
eines einstellbaren Spannungsbereiches liegen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch
erreichen, dass die vom Photoempfänger kommenden sequentiellen Signale über einen
Vorverstärker auf eine der Anzahl lichtemittierenden Halbleiter entsprechende Anzahl
Analog-UND-vore geleitet werden und dass jedes Analog-UND-Dor über einen Ladekreis
mit einem Fensterdiskriminator in Verbindung steht.
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Das stärkste reflektierte Signal wird immer vom Infrarot-Signal erhalten.
Da beim sortieren oder kontrollieren von Stückgütern auf Dransportbändern oft erhebliche
Distanzunterschiede zum Näherungsschalter vorkommen, schwankt die analoge Grösse
des reflektierten Signals erheblich. Folglich kann dann die Fensterweite des Fensterdiskriminators
nicht soweit geöffnet werden, dass Stückgüter jeder Grösse und Lage ein vernünftiges
reflektiertes Signal ergeben, da sonst keine Aussagekraft mehr darin liegt. Verhindern
lässt sich dies beispielsweise dadurch, dass das vom Infrarotlicht stammende sequentielle
Signal nach dem Analog-UND-Dor mit einer Referenzspannung verglichen und über einen
Regelverstärker eine Gegenkopplung des dem Photoempfänger nachgeschalteten Vorverstärkers
steuert.
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Anhand der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt und ihre Funktion erläutert:
Es zeigt: Fig.
1 ein Schema für einen optoelektrischen Näherungsschalter mit drei Fensterdiskriminatoren
Fig. 2 stellt ein Impulsdiagramm dar Fig. 3 zeigt eine zweite Variante eines optoelektrischen
Näherungsschalters mit Rückkopplung des Infrarot-Signales.
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Das Schema in Fig. 1 zeigt in der oberen Hälfte den Senderteil und
in der unteren Hälfte den Empfängerteil des optoelektrischen Näherungsschalters.
Im Senderteil des Näherungsschalters wird das Sendesignal geformt.
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Ausgehend von einem Taktgenerator wird ein Rechtecksignal mit einer
Frequenz f, beispielsweise 3kHz erzeugt.
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Das Signal des Taktgebers wird auf einen Zähler 2 geleitet, der durch
Teilung n Rechtecksignale mit der Frequenz f/n abgibt. Dabei steht n für die Anzahl
Sendedioden 5-7, im dargestellten Beispiel drei. Folglich erscheinen am Zählerausgang
drei Rechtecksignale mit der Frequenz von je lkHz.
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Jedes Signal mit der Frequenz £/n wird einem von n monostabilen Multivibratoren
3a-c zugeleitet. Das jeweilige Signal triggert den flankengesteuerten Multivibrator,
der einen Impulszug von Impulsen von vorgewählter Impulsdauer erzeugt. In der Figur
2 sind die drei Impulszüge dargestellt. Die Impulsbreite ist hier mit
20
Vs. angegeben. Aus der Frequenz von 1000 Hz ergibt sich eine Zeit von 1 ms von Impuls
zu Impuls des gleichen Impulszuges. Die Impulszüge sind jedoch gegenüber einander
um l/f . l/n, im Beispiel folglich um 0,33 ms, verschoben. Die erzeugten, sequentiell
verteilten Impulse steuerniiiii sequentiell die n Endstufen 4a-c. Die Endstufen
4a-c sind Stromtreiber. Stromtreiber 4a treibt eine Infrarot LED 5, Stromtreiber
4b eine rote (lichtemittierende Diode) LED 6 und Stromtreiber 4c eine grüne LED
7. Selbstverständlich können auch andersfarbige LED's verwendet werden. Im Beispiel
nach Fig. 1 werden smit drei sequentiell verteilte Lichtimpulse von je 20 ys gesendet.
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Auf den Photoempfänger 8 treffen nun alle drei Signale zeitverschoben
wieder auf. Im Vorverstärker 9 werden die empfangenen Signale verstärkt und allen
nachfolgenden Analog-UND-Doren 10a-c zugeleitet. So erhält das Analog-UND-Dor 10a
an einem Eingang das Ausgangssignal des Multivibrators 3a, am anderen Eingang alle
vom Vorverstärker 9 verstärkten, vom Photoempfänger empfangenen Signale. Nur während
der Zeit, da die Diode 5 von der Stufe getrieben einen Infrarot-Impuls abgibt, der
reflektiert und vom Photoempfänger empfangen und über den Vorverstärker an das Analog-UND-Tor
gelangt, öffnet dieses und leitet ein Signal weiter. Der Photoempfänger sollte für
alle ausgestrahlten Wellenlängen ungefähr die gleiche Empfindlichkeit besitzen,
damit er die empfangenen
Lichtsignale in analoge elektrische Signale
umwandeln kann. Prinzipiell kommen dafür Photodioden, Phototransistoren und photovoltaische
Elemente in Frage.
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Der Vorverstärker 9 ist üblicherweise ein Linearverstärker, um die
analogen Spannungswerte beizubehalten.
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Sollten aus einem anwendungstechnischen Grund einzelne Impulse, beispielweise
alle Signale der ttGrünphase", stärker verstärkt werden, so wäre dies durch eine
zeitselektive Verstärkung möglich. Durch den Zeitvergleich der jeweiligen Sende-
und Empfangssignale werden auch automatisch alle zwischen zwei Impulsen liegenden
Störsignale ausgefällt.
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Die Ausgangsimpulse an den Analog-UND-Doren, die je nach Zielgegenstand
verschiedene Werte annehmen können, laden die Kapazitäten der Ladekreise lla-c proportional
auf. Die Lade- und Entladegeschwindigkeit muss so gewählt sein, dass die Ausgangssignale
der Fensterdiskriminatoren 12a-c ständig am nachfolgenden UND-Dor 13 anliegen. Nur
so ist garantiert, dass das über die Endstufe 14 angesteuerte Relais 15 nicht flattert.
Die optimale Dimensionierung der Ladekapazitäten der Ladekreise lla-c muss experimentell
ermittelt werden. Einerseits müssen alle von den Analog-UND-Toren kommenden Impulse
einzeln gewertet werden, andererseits darf die Restwelligkeit an den Ladekapazitäten
nicht so gross sein, dass damit die Hysteresis der nachfolgenden Stufe überschritten
w-;
Die nachfolgenden, als integrierte Schaltkreise (IC) auf dem
Markt erhältlichen Fensterdiskriminatoren oder Komparatoren 12a-c vergleichen die
an den Ladekapazitäten anliegenden Spannungen mit einer Referenzspannung. Die Referenzspannung
kann mit einem Regelwiderstand Ra-c eingestellt werden. Neben der Referenzspannung
kann auch noch die zulässige Abweichung, d.h.
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die sogenannte Fensterweite eingestellt werden. Je nach der Reflexion
kann vom gleichen Gegenstand ein unterschiedlich starkes Empfangs signal empfangen
werden.
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Liegt nur die Ladespannung innerhalb der vom Pensterdiskriminator
geprüften Grenzen, entsteht ein Ausgangssignal. Liegen alle drei Istwerte innerhalb
des entsprechend eingestellten Fensters, so liegen alle Ausgänge der Komparatoren
auf einem ebenfalls einstellbaren Pegel. Entspricht einer der Eingangssignale nicht
dem gewünschten Sollwert, so liefert der entsprechende Komparator kein Ausgangssignal,
das UND-Dor 13 sperrt und das Relais 15 fällt ab.
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In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Der Sendeteil in der oberen Blatthälfte ist mit dem Sendeteil nach
Fig. 1 identisch. Auch der Empfängerteil ist prinzipiell gleich aufgebaut. Der am
Analog-UND-Dor 10a ausgetastete Impuls des Infrarot-Licht-Signales wird jedoch nicht
vom Ladekreis lla auf einen Komparator, sondern auf einen Regelverstärker 17 geleitet.
Ueberschreitet der anliegende
Wort einen am Regelwiderstand 16
einstellbaren Wcrt, so steuert das Ausgangssignal des Regelverstärkers proportinal
die Gegenkopplung 18, wodurch wiederum die anligenden Analogsignale an den Analog-UKD-Doren
lOb und 10c proportinal geändert werden. Die anliegenden Impulse für die Rot- und
Grünphase werden somit abhängig vom Infrarot-Impuls gewertet. Vorzugsweise nimmt
man den Infrarot-Impuls, da dieser die höchsten Werte erreicht.
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Diese Schaltung wird insbesondere dort verwendet, wo Stückgüter sortiert
werden müssen, deren Reflexionsfläche unterschiedlich weit am Sender vorbeigeführt
werden. Durch die ständige Anpassung kann somit distanzunabhängig gearbeitet werden.
Es ist jedoch durchaus möglich, einen monochromatischen Lichtimpuls zur Rückkopplung
zu verwenden.
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Die gleiche Wirkung wie bei der vorgenannten Schaltung erhält man,
wenn der Regelverstärker 17 statt mit der Gegenkopplung 18 mit der Endstufe 4a in
Wirkverbindung stehen würde. Dadurch würde bereits der Analogwert des Sendesignals
beeinflusst.
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Der erfindungsgemässe optoelektrische Näherungsschalter ermöglicht
neue Anwendungen des Näherungsschalters. Es können beispielsweise Stückgüter auf
Fliessbändern sortiert werden, ohne dass diese zuvor genau ausgerichtet
worden
sind. Zusätzlich lassen sich mehrere Erkennungwerte berücksichtigen. Auch Anwendungen
an Orten mit stark störenden Hintergrundreflexionen lassen sich realisieren.
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Markierungen auf Verpackungen lassen sich nach Farbe und Material
erkennen und die Informationen entsprechend weiter verwerten.
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Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist insbesondere die Sortierung
von Früchten. Durch die Infrarot-Abtastung lassen sich Fremdkörper erkennen und
mit der Farb-Abtastung werden unreife Früche erkannt. Dieser Anwendung kommt wegen
der starken Rationalisierung in der Landwirtschaft grosse 3bedeutung zu.
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Immer häufiger werden Erntemaschinen eingesetzt, die Fremdkörper in
das Erntegut einschleusen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Kontrolle
verpackter Waren. Durch die kombinierte Abtastung durch sichtbares und unsichtbares
Licht lassen sich verpackte Waren erkennen und entsprechend weiterleiten oder behandeln.
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Ueber die diversen Kombinationsmöglichkeiten von sichtbarem und unsichtbarem
Licht Betrachtungen anzustellen, ist müssig. Der jeweilige Anwendungsfall wird über
die Wahl der besten Kombination entscheiden.