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Detektorschaltung mit kapazitivem Fühlerelement
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Die Erfindung betrifft eine Detektorschaltung mit kapazitivem Fühlerelement,
welche eine das Fühlerelement als frequenzbestimmende Kapazität enthaltende Oszillatorschaltung
und eine auf die Oszillatorfrequenz ansprechende, eine Auswertschaltung steuernde
Frequenzmeßeinrichtung enthält.
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Sollen bei bekannten Detektorschaltungen dieser Art mit einem vergleichsweise
kleinem kapazitiven Fühlerelement relativ große Entfernungen abgetastet oder überwacht
werden, so ergeben sich bei Auftreten der Detektorbedingung oder überwachungsbedingung
nur sehr kleine Frequenzänderungen. Wird dann zur Frequenzmessung ein Vergleich
mit einer Bezugs frequenz durchgeführt, so ergeben sich aufgrund der unvermeidlichen,
unterschiedlichen Frequenzdriften große Unsicherheiten des Ansprechens der Detektorschaltung.
Während nämlich das kapazitive Fühlerelement, welches etwa die Gestalt eines Bügels
hat, als Luftkondensator anzusehen ist, dessen Kapazität gegen die Umgebung weitgehend
temperaturunabhängig bleibt, so daß hier keine Frequenzdriften verursacht
werden,
haben die übrigen standteile der Detektorschaltung, nämlich der Oszillator, die
verwendeten Halbleiter und Widerstände, die parasitären Kapazitäten des Schaltungsaufbaus
und auch die Induktivitäten jeweils streuende Temperaturkoeffizienten ihrer elektrischen
Werte und verursachen daher bemerkenswerte Frequenzdriften. Auch die Versorgungsspannungen
beeinflussen die jeweilige Frequenz.
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Durch die Erfindung soll eine Detektorschaltung der eingangs beschriebenen
Art so ausgestaltet werden, daß sich eine hohe Konstanz des Ansprechschwellwertes
ergibt. Die Schaltung soll dabei eine große Sicherheit gegen Schaltungsfehler und
unerwünschte Manipulation aufweisen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Detektorschaltung der eingangs umrissenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenzmeßeinrichtung mindestens eine
Vergleichskapazität enthält, welche mittels einer Umschalteinrichtung anstelle des
kapazitiven Fühlerelementes periodisch an die Oszillatorschaltung anscnaltbar ist,
daß ein an die Oszillatorschaltung angeschlossener Zähler unter Steuerung der Umschalteinrichtung
während der Anschaltung des Fühlerelementes an die Oszillatorschaltung in der einen
Richtung und während der Anschaltung der Vergleichskapazität an die Oszillatorschaltung
in der entgegengesetzten Richtung zählt und daß eine Zählerstandsdetektorschaltung
abhängig vom Zählergebnis jeweils nach den Anschaltungen der Vergleichskapazität
und des Fühlerelementes eine Auswerteinrichtung steuert.
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Es wird also bei der hier vorgeschlagenen Schaltung nicht eine Bezugsfrequenz
mittels eines gesonderten Oszillators bereitgestellt, sondern unter Verwendung eines
einzigen Oszillators eine periodische Umschaltung von dem kapazitivem Fühlerelement
auf die Vergleichskapazität und umgekehrt vorgenommen, wobei die Vergleichskapazität
vorzugsweise ebenfalls ein Luftkondensator ist, der einstellbar ausgebildet sein
kann.
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Die Umschalteinrichtung kann einen insbesondere von der Netzspannung
betriebenen Rechteckwellengenerator sowie von diesem betriebene, in den Zuleitungen
zwischen dem kapazitiven Fühlerelement bzw. der Vergleichskapazität einerseits und
der Oszillatorschaltung andererseits gelegene Schaltmittel enthalten.
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Der Zähler kann während der Anschaltung des kapazitivem Fühlerelementes
an die Oszillatorschaltung aufwärts und während der Anschaltung der Vergleichskapazität
an die Oszillatorschaltung abwärts zählen oder umgekehrt und die Zählerstanddetektorschaltung
kann so ausgebildet sein, daß sie auf die Abweichung vom Ausgangszählerstand nach
der Anschaltung der beiden Kapazitäten anspricht. Sind beispielsweise das kapazitive
Fühlerelement und die Vergleichskapazität gleich groß und wurden jeweils für gleiche
Zeitdauer an die Oszillatorschaltung angechlossen, so kehrt der Zähler, dessen Ausgangszählerstand
Null war, nach Anschaltung beider Kapazitäten, also nach einem vollständigen Detektorzyklus,
wieder zu Null zurück. Tritt jedoch aufgrund einer Annäherung eines Gegenstandes
oder Körpers an das kapazitive Fühlerelement eine Kapazitätserhöhung und damit eine
Frequenzerniedrigung der Oszillatorschaltung auf, so ergibt sich als Endzählerstand
nach einem vollständigen Detektorzyklus ein Zählerstand unter Null oder ein Zählerstand
über Null, je nachdem, ob die Vergleichskapazität während des Aufwärtszählens des
Zählers oder während des Abwärtszählens des Zählers angeschaltet war. Auf diesen
von Null verschiedenen Zählerstand spricht der Zählertanddetektor an und betätigt
somit beim Auftreten der Detektorbedingung eine Auswerteinrichtung, beispielsweise
ein Relais, welches bei Auftreten der Detektorbedingung abfällt und eine Maschine
außer Betrieb setzt.
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Im übrigen bilden zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der zuvor beschriebenen Detektorschaltung Gegenstand der anliegenden Ansprüche,
deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird,
ohne den Wortlaut an dieser Stelle zu wiederholen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Detektorschaltung anhand
der Zeichnung beschrieben. Es stellen dar: Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild
einer Detektorschaltung, Fig. 2 ein mehr ins Einzelne gehender Schaltplan der Schaltung
nach Figur 1, Fig. 3 ein Schaltungsteil der Detektorschaltung nach Figur 2 in einer
abgewandelten Form, Fig. 4 eine mit mehreren Fühlerschaltungen verbindbare Auswerteinrichtung,
Fig. 5 eine Seitenansicht einer praktischen Bauform einer Detektoreinrichtung und
Fig. 6 eine teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht einer Detektoreinrichtung,
welche an einer Arbeitsmaschine befestigt ist.
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Die Detektorschaltung gemäß Figur 1 enthält als Oszillatorschaltung
einen Zählimpulsgenerator 1, dessen Impulswiederholungsfrequenz durch die Kondensatoren
2 oder 3 bestimmt wird. Der Kondensator 2 wird von der wirksamen Kapazität eines
Fühlerelementes beliebiger Gestalt gegenüber der Umgebung gebildet, beispielsweise
also von der Kapazität eines isoliert an einem Maschinenteil befestigten Elektrodenbügels,
eines Elektrodenrahmens oder dergl.
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Der Kondensator 3 ist ein vorzugsweise einstellbarer Vergleichskondensator,
welcher ebenso wie das kapazitive Fühlerelement 2 ein Luftkondensator ist.
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Ein von einem Schaltantrieb 4 betätigter Umschalter 5 bewirkt eine
abwechselnde Verbindung entweder des kapazitiven Fühlerelementes 2 oder der Vergleichskapazität
3 mit dem Zählimpulsgenerator
1. Der Schaltantrieb 4 wird von einem
Umschaltsignalgenerator 6 gesteuert, der gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel
von der Netzfrequenz betrieben wird. Außer den Umschaltsteuersignalen für den Schaltantrieb
4 liefert der Umschaltsignalgenerator 6 über eine Leitung 7 Umschaltsignale an einen
mit dem Zählimpulsgenerator 1 über die Leitung 8 verbundenen Aufwärts-Abwärts-Zähler
9, welcher die auf der Leitung 8 anstehenden Zählimpulse, die eine Impulswiederholungsfrequenz
von beispielsweise 100 kHz haben können, zählt. Außerdem gelangen über die Leitung
7 Rückstellimpulse zu dem Zähler 9, welche den Zähler auf seinen Ausgangszählerstand,
etwa auf Null, rückstellen, sobald ein vollständiger Detektorzyklus mit einer Aufwärtszählung
und einer Abwärtszählung beendet ist.
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Ist durch das Auftreten einer Detektorbedingung das kapazitive Fühlerelement
2 mit einem anderen Kapazitätswert wirksam als die Vergleichskapazität 3, so kehrt
nach jeweils gleich lang andauernder Verbindung der einen und der anderen Kapazität
mit dem Zählimpulsgenerator 1 der Aufwärts-Abwärts-Zähler 9 nach einem vollständigen
Detektorzyklus nicht mehr zum Ausgangszählerstand zurück, worauf der Zählerstandsdetektor
10 anspricht, welcher mit dem Zähler 9 verbunden ist. Eine Abweichung des Endzählerstandes
nach einem Detektorzyklus von dem Ausgangszählerstand meldet der Zählerstandsdetektor
10 über die Leitung 11 an eine Auswerteinrichtung 12, welche ein Nutzgerät steuert,
beispielsweise den Erregerstromkreis eines Relais unterbricht, so daß dieses abfällt
und eine Einrichtung oder Maschine außer Betrieb setzt, sobald die Detektorbedingung
an dem kapazitivem Fühlerelement 2 erfüllt ist.
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Es versteht sich, daß bei einer praktischen Ausführungsform der Schalterantrieb
4 und der Umschalter 5 die Gestalt elektrischer Schaltmittel haben.
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Bei der Ausführungsform nach Figur 2 enthält der Umschaltsignalgenerator
6 einen über seinen invertierenden Eingang mit der
Netzspannung
gespeisten Operationsverstärker 13, dessen nicht invertierender Eingang vk einer
Gleichspannungsquelle 14 über einen Spannungsteiler 15, 15a gespeist wird. Der Ausgang
des Operationsverstärkers 13 ist mit dem nicht invertierenden Eingang über einen
zur Einstellung der Phasenlage der Ausgangswellenform dienenden, einstellbaren Widerstand
16 verbunden.
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Der Ausgang des Operationsverstärkers 13 liefert demgemäß eine Rechteckwelle
im Takte der Schwingungen der Netzspannung. Dem Ausgang des Operationsverstärkers
ist ein Inverter 17 nachgeschaltet, so daß an der Klemme A die genannte Rechteckwelle
und an der Klemme B eine dem gegenüber um 90" phasenverschobene Rechteckwelle zur
Verfügung stehen. Diese Rechteckwellensignale sind die Umschaltsignale, welche einerseits
zur Betätigung der Schaltmittel zum Wechsel der Anschaltung der Kondensatoren 2
und 3 und andererseits dem an den Oszillator angeschlossenen Zähler zugeführt werden.
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Der Oszillator oder Zählimpulsgenerator wird bei der Ausführungsform
nach Figur 2 von einer Multivibratorschaltung gebilbildet, welche in Analogie zu
der Ausführungsform nach Figur 1 mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist. Anstelle der
Multivibratorschaltung kanr uch eine andere Oszillatorschaltung verwendet werden,
welche am Ausgang zählbare Impulse oder Signalwellen,etwa in Sinuswellenform, darbietet.
Das kapazitive Fühlerelement 2 2 ist als frequenzbestimmende Kapazität über einen
Feldeffekttransistor 18 in die Multivibratorschaltung einschaltbar, während die
Vergleichskapazität 3 über einen Feldeffekttransistor 19 als frequenzbestimmende
Kapazität in die Multivibratorschaltung einschaltbar ist. Während der Feldeffekttransistor
18 leitend geschaltet ist und das kapazitive Fühlerelement 2 in der Multivibratorschaltung
zur Wirkung bringt, ist die Vergleichskapazität 3 mittels eines weiteren Feldeffekttransistors
20 kurzgeschlossen. Andererseits schließt während der Einschaltung der Vergleichskapazität
3 über den Feldeffekttransistor 19 ein Feldeffekttransistor 21 das kapazitive Fühlerelement
2 kurz. Dieser Schaltungsablauf kann verwirklicht werden, indem die Steueranschlüsse
der Feldeffekttransistoren 19 und 21 mit der Klemme B und die Steueranschlüsse der
Feldeffekttransistoren 18 und 20 mit der Klemme A verbunden werden
oder,
wie in Figur 2 nicht dargestellt, umgekehrt.
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Der Kurzschluß der jeweils nicht in Betrieb befindlichen Kapazitäten
2 oder 3 durch die Feldeffekttransistoren 21 bzw.
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20 stellt einen symmetrischen Betrieb sicher. Der Vorwiderstand des
kapazitiven Fühlerelementes 2 verhindert in Verbindung mit der parallelliegenden
Diode 22 ein Einwirken etwa über das kapazitive Fühlerelement eingekoppelter Überspannungen
auf die nachgeschalteten Baueinheiten.
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Die Multivibratorschaltung 1, welche wiederum einen Operationsverstärker
enthält, ist bezüglich ihres Schaltungsaufbaues aus Figur 2 ohne weiteres erkennbar.
Die Ausgangs impulse der Multivibratorschaltung 1, welche mit einer Impulswiederholungsfrequenz
von beispielsweise 100 kHz auf der Leitung 8 auftreten, erreichen den Aufwärts-Abwärts-Zähler
9, der einen zur Umstellung von Aufwärtszählbetrieb auf Abwärtszählbetrieb dienenden
Steuereingang 23 und einen Rückstelleingang 24 besitzt. Die Eingänge 23 und 24 des
Zählers 9 sind in der dargestellten Weise mit der Klemme B der Schaltung verbunden
und empfangen somit als Steuersignale die an dieser Klemme anstehende Rechteckwelle
des Umschaltimpulsgenerators 6.
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Der Zähler 9 ist so ausgebildet, daß er eine größere Anzahl von Stellen
oder Stufen besitzt, als für die Zählung der Impulse erforderlich ist, die während
der Anschaltung der Vergleichskapazität 3 von dem Zählimpulsgenerator 1 abgegeben
und von dem Zähler 9 im Aufwärtszählbetrieb gezählt werden.
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Außerdem ist eine solche Justierung der Vergleichskapazität 3 vorgenommen,
daß sie wirkungsmäßig etwas größer als die Kapazität des kapazitiven Fühlerelementes
2 bei nicht vorhandener Detektorbedingung ist. Wird dann auf das kapazitive Fühlerelement
umgeschaltet, so gibt der Zählimpulsgenerator 1 bei gleicher Betriebsdauer eine
größere Anzahl von Impulsen über die Leitung 8 an den Zähler 9 ab, der nun im Abwärtszählbetrieb
seinen
Zählerstand unter Null erniedrigt, so daß im Augenblick der Nullunterschreitung
die zuvor nicht benutzten, höchstwertigen Zählerstellen von einer logischen 0 in
eine logische 1 übergehen. Diese Änderung des Zustandes der höchstwertigen Zählerstelle
oder der höchstwertigen Zählerstellen wird in Gestalt eines Ausgangs impulses auf
der Leitung 11 gemeldet.
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Die Leitung 11 stellt somit die Ausgangsleitung einer Sensorschaltung
dar, welche in Figur 2 als der von einer strichpunktierten Linie S linksliegende
Schaltungsteil 25 dargestellt ist.
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Steigt nun die wirksame Kapazität des kapazitiven Fühlerelementes
2 aufgrund der Annäherung eines Körpers oder Gegenstandes an die Fühlerelektrode
an, so erniedrigt sich die Zahl der Ausgangsimpulse des Zählimpulsgenerators 1,
welche während des Betriebes unter Verwendung des kapazitiven Fühlerelementes 2
auftritt. Der zuvor durch den Zähler 9 beim Aufwärtszählen erreichte Zählerstand
wird somit beim Rückwärtszählen nicht mehr auf Null oder gar unter Null erniedrigt,
so daß die Impulse auf der Leitung 11 ausbleiben. Dieses Ausbleiben der Ausgangs
impulse des Zählers 9 ist somit die Meldung über das Eintreten der Detektorbedingung.
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Die Ausgangsleitung 11 der Schaltung 25 speist eine Transistor-Diodenpumpe
26, die an einen zu einem Widerstand 27 parallelliegenden Kondensator 28 angeschlossen
ist. Solange der Kondensator 28 über die Transistor-Diodenpumpe 26 von den Impulsen
der Leitung 11 geladen gehalten wird, reicht das von dem Kondensator 28 an der Basis
des Transistors 29 aufrechterhaltene Potential zur Leitendschaltung des Transistors
29 aus. Bleiben jedoch die Impulse der Leitung 11 wegen des Auftretens der Detektorbedingung
aus, so entlädt sich der Kondensator 28 über den Widerstand 27, so daß der Transistor
29 den Erregerstromkreis eines Relais 30 unterbricht und das Relais zum Abfallen
bringt.
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Die Schaltkontakte des Relais 30 können dazu verwendet werden, eine
Einrichtung oder Arbeitsmaschine auszuschalten, wenn etwa eine Bedienungsperson
in einen gefährlichen Bereich dieser Einrichtung oder Arbeitsmaschine gerät und
dadurch aufgrund der Annäherung die wirksame Kapazität des kapazitiven Fühlerelementes
2 erhöht. Auch ist es möglich, mittels des Relais 30 eine Maschine oder ein Anlageteil
in Betrieb zu setzen, wenn ein Werkstück oder Gegenstand in eine Behandlungsstation
oder Arbeitsstation einläuft und damit eine entsprechende Wirkung auf das kapazitive
Fühlerelement 2 hat. Weiter kann das Relais 30 zur Auslösung eines Alarms dienen.
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Bemerkenswert ist die hohe Sicherheit der hier vorgeschlagenen Schaltung
gegen Betriebsstörungen und Fehler in der Schaltung, da die Impulse der Leitung
11 auch bei einem Versagen des Oszillators, bei Leitungsbruch und dergleichen ausbleiben
und somit die in Figur 2 rechts von der strichpunktierten Linie S liegende Schaltung
zum Ansprechen bringen. Selbst dann, wenn der Umschaltsignalgenerator 6 gestört
sein sollte und folglich der Zähler 9 in einer Richtung ständig weiterzählt, so
daß periodisch der maximale Zählerstand erreicht wird und folglich Ausgangs impulse
auf der Leitung 11 auftreten, spricht die Auswertschaltung an, da diese Ausgangs
impulse wegen der größer gewählten Zählerkapazität mit geringer Wiederholungsfrequenz
auftreten und nicht mehr zu einer ausreichenden Aufladung des Kondensators 28 ausreichen.
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Werden in der Schaltung nach Figur 2 das kapazitive Fühlerelement
2 und die Vergleichskapazität 3 miteinander vertauscht, so wirkt die Detektorschaltung
im Sinne einer Überwachung mit Bezug auf eine Detektorbedingung, bei welcher eine
Verkleinerung des kapazitiven Fühlerelementes, etwa durch Entfernen eines Gegenstandes,
herbeigeführt wird. Eine solche Verkleinerung der Kapazität des kapazitiven Fühlerelementes
wird beispielsweise herbeigeführt, wenn an einer Sicherungseinrichtung für eine
Arbeitsmaschine die Fühlerelektrode abgebaut, verkleinert
oder
in bestimmter Weise verbogen wird.
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Die Schaltung nach Figur 2 kann in der Weise abgewandelt werden, daß
anstelle der Vergleichskapazität 3 mehrere unterschiedliche Vergleichskapazitäten
mit zugehörigen Schaltmitteln vorgesehen werden, welche zyklisch anstelle des kapazitiven
Fühlerelementes 2 in die Schaltung gelegt werden, wozu ein entsprechender Umschaltgenerator
vorzusehen ist. Auf diese Weise können zwei oder mehrere stabile Schwellwerte für
das Ansprechen der Auswertschaltung verwirklicht werden.
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Ein Flackern des Schwellwertes aufgrund kapazitiver oder induktiver
Einwirkungen auf den Umschaltimpulsgenerator 6 sowie aufgrund der Einflüsse der
speisenden Netzspannung derart, daß die positiven und die negativen Halbwellen der
Ausgangsrechteckwelle unterschiedlich lang werden, kann durch die Ausbildung des
Umschaltsignalgenerators 6 entsprechend Figur 3 vermieden werden.
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Hier ist der Ausgang des Operationsverstärkers 13 an ein Flip-Flop
31 angeschlossen, dessen invertierter Ausgang mit der Klemme A und dessen nicht
invertierter Ausgang mit der Klemme B verbunden ist. Das Flip-Flop 31 bewirkt somit
eine Frequenzhalbierung dergestalt, daß an den Klemmen A und B Rechteckwellen auftreten,
deren zeitliche Impulsbreite jeweils einer vollen Periode der Eingangsnetzspannung
entspricht. Die optimale Phasenlage kann mittels des Widerstandes 16 einjustiert
werden.
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Wie aus Figur 4 ersichtlich, können mehrere Schaltungen gemäß Figur
2 parallel betrieben werden und zur Absicherung des Betriebes einer Maschine an
mehreren Gefahrenstellen eingesetzt werden. Hierzu sind die Ausgänge der Transistor-Diodenpumpen
der einzelnen Schaltungen über Dioden 32 an jeweils zugehörige Transistoren 29a
bzw. 29b bzw. 29c bzw. 29d angeschlossen.
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Die Emitter-Kollektorstrecken dieser Transistoren liegen zueinander
in Reihe im Erregerstromkreis des Relais 30. Ist in der Schaltung nach Figur 4 die
in strichpunktierten Linien eingezeichnete Schaltungsbrücke vorgesehen, so verwirklicht
die
Schaltung bezüglich des Abfalls des Relais eine ODER-Bedingung,
während ohne die genannte Schaltungsbrücke eine UND-Bedingung verwirklicht ist.
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Figur 5 zeigt eine praktische Ausgestaltung einer Einrichtung, bei
der die in Figur 2 links von der strichpunktierten Linie S gelegenen Schaltungsteile
25 innerhalb eines metallischen Gehäuses 33 untergebracht sind. Dieses metallische
Gehäuse 33 bildet das kapazitive Fühlerelement 2 und ist isoliert an einer gegen
Annäherung zu schützenden Einrichtung 34 befestigt. Leitungsverbindungen zum Zuführen
einer der Netzwechselspannung entsprechenden Spannung und einer Speisegleichspannung
sowie zum Abführen der Impulse über die Leitung 11 sind bei 35 angedeutet.
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Mittels an dem Gehäuse 33 befestigter Bügel oder Zusatzelektroden
36, welche mit dem Gehäuse 33 leitend verbunden sind, kann der überwachungsbereich
des kapazitiven Fühlerelementes vergrößert und geformt werden.
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Schließlich zeigt Figur 6 die Möglichkeit, mittels neben und/oder
über dem kapazitiven Fühlerelement 33 befestigter, geerdeter Schirmelektroden 37
bei entsprechender Justierung der Vergleichskapazität 3 den in Figur 6 bei 38 schematisch
eingezeichneten Empfindlichkeitsbereich zu formen, derart, daß sich dieser Bereich
nur in eine bestimmte Richtung erstreckt und bei Verletzung dieses Bereiches die
Detektorbedingung erfüllt ist, während eine Annäherung an den geschützten Bereich,
etwa an einen Pressenspalt, von der entgegengesetzten Seite nicht zu einer Auslösung
der Schaltung führt.
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Es sei noch erwähnt, daß wegen der hohen Empfindlichkeit und der Konstanz
des Schwellenwertes die hier vorgeschlagene Schaltung auch zum Aufbau eines Eindringalarmsystems
geeignet ist, da mit vergleichsweise kleinen kapazitiven Fühlerelementen große Entfernungen
überwacht werden können. Die hierbei durch
einen Eindringling in
den geschützten Bereich verursachten, geringfügigen Frequenzänderungen lassen sich
aufgrund der Konstanz des einjustierten Schwellwertes einwandfrei erfassen.
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