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Näherungsschalter
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Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter mit einem bedämpfbaren
Osziallator-Eingangskreis und mit einem der Bedämpfung des Eingangskreises entsprechende
Ausgangssignale erzeugenden Ausgangskreis.
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Derartige Näherungsschalter sind insbesondere in Form induktiver Näherungsschalter
weit verbreitet und besitzen im Ausgangskreis im allgemeinen eine irgendwie geartete
Schwellwertschaltung, mit deren Hilfe der Signalpegel am einzigen Ausgang des Näherungsschalters
von einem ersten Wert,der dem unbedämpften Zustand des Schalters entspricht, auf
einen zweiten Wert umgeschaltet wird, der dem bedämpaten Zustand des Schalters entspricht.
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Obwohl die bekannten Näherungsschalter im allgemeinen befriedigend
und relativ sicher arbeiten, können sie dennoch nicht in allen Fällen voll befriedigen.
Insbesondere kommt es bei spanabhebenden Maschinen gelegentlich zu einer Situation,
in der der Näherungsschalter nicht auf den ihm zugeordneten Nocken oder
dergleichen
anspricht, sondern auf umherfliegende Späne, welche die Induktivität einer Spule
im Eingangskreis bzw. im Oszillator eines induktiven Näherungsschalters so beeinflussen
können, daß eine Schaltbedingung vorgetäuscht wird. Dies ist aber aus Gründen der
Sicherheit für das Bedienungspersonal und die Maschinen nicht tragbar.
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Ausgehend vom Stande der Technik und der vorstehend aufgezeigten Problematik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsschalter der eingangs beschriebenen
Art dahingehend zu verbessern, daß eine Schaltfunktion des Näherungsschalters nur
dann ausgelöst wird, wenn tatsächlich eine Schaltnocke oder ein anderes zu überwachendes
Maschinenelement in den Ansprechbereich des Näherungsschalters gelangt ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ausgangskreis
derart ausgebildet IStr daß ein als Schaltsignal für nachgeschaltete Einrichtungen
dienendes Ausgangssignal nur bei einer innerhalb mindestens eines vorgegebenen Bedämpfungsbereiches
liegenden Bedämpfung des Eingangskreises erzeugbar ist.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß beispielsweise ein Eisenspan
von einem auf der bewachten Maschine bearbeiteten Werkstück mit hoher Wahrscheinlichkeit
nicht nur bis in den Ansprechbereich gelangt, in den bei richtiger Justierung der
Steuernocken oder dergleichen hereinbewegt wird, sondern daß der Span
ganz
dicht an den Näherungsschalter heranfliegt bzw.
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auf diesen auftrifft und dabei den normalen Ansprechabstand deutlich
unterschreitet. (Entsprechend ist die Situation bei kapazitiven Näherungsschaltern,
wenn beispielsweise Kunststoff späne gegen den Näherungsschalter fliegen).
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Dieser Zusammenhang gestattet nun gemäß der Erfindung eine Unterscheidung
zwischen den Fällen, in denen der Schaltnocken ordnungsgemäß in den Ansprechabstand
gelangt und den Fällen, in denen das die Bedämpfung auslösende Element sehr dicht
an den Näherungsschalter heranbewegt wird, was bedeutet, daß beispielsweise ein
5 pan in den Erfassungsbereich des Näherungsschalters gelangt ist oder daß der Schaltnocken
oder dergleichen zu dicht an den Näherungsschalter herangeführt wirdr was ebenfalls
als Störung erkannt werden können sollte.
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Die Begrenzung eines vorgegebenen Bedämpfungsbereiches erfolgt erfindungsgemäß
vorzugsweise mit Hilfe eines Fensterdiskriminators mit zwei vorgegebenen Schaltschwellen,
dem eingangsseitig die Ausgangsspannung des Eingangskreises zuführbar ist, und der
einen Ausgang aufweist, an dem bei einem zwischen den Schaltschwellen liegenden
Ausgangssignal des Eingangskreises ein als Schaltsignal dienendes Ausgangssignal
erzeugbar ist.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn zusätzliche
Schalteinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe an einem zweiten Ausgang des
Ausgangskreises bei einer unterhalb des unteren Grenzwerts des Diskriminators liegenden
Ausgangsspannung des Eingangskreises ein eine Fehlfunktion anzeigendes Alarmsignal
erzeugbar ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung hat es sich ferner als vorteilhaft
erwiesen, wenn zwei oder mehr, jeweils eine Ansprechzone definierende Fensterdiskriminatoren
mit jeweils einem zugeordneten Diskriminatorausgang vorgesehen sind und wenn die
Diskriminatorausgänge mit den Eingängen einer logischen Schaltung verbunden sind.
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Diese Ausgestaltung eröffnet die Möglichkeit, einen einzigen Näherungsschalter
in Abhängigkeit von der-Stellung zweier oder mehrerer Schaltnocken zu betätigen
und die Signale an den Diskriminator-Ausgängen gemäß einer vorgegebenen logischen
Funktion miteinander zu verknüpfen, beispielsweise gemäß einer Und-Funktion oder
einer Oder-Funktion, wodurch die Einsatzmöglichkeiten des Näherungsschalters erheblich
erweitert werden, wobei zusätzlich die Möglichkeit besteht, bei Ausgangssignalen
des Eingang-skreises,die zwischen die Schaltschwellen der Ansprechzonen fallen oder
unterhalb der untersten Schaltschwelle liegen, an mindestens einem weiteren Ausgang
ein Alarmsignal zu erzeugen, welches eine Fehlfunktion anzeigt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
eines Näherungsschalters gemäß der Erfindung; Fig. 2 ein detailliertes Schaltbild
einer bevorzugten Ausführungsform eines Fensterdiskriminators für einen Näherungsschalter
gemäß Fig. 1 und Fig. 3 ein schematisches Diagramm des Verlaufs der Ausgangs signale
an den beiden Ausgängen des Näherungsschalters gemäß Fig. 1 über dem Annäherungsabstand.
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Im einzelnen weist der Näherungsschalter gemäß Fig. 1 einen Oszillator-Eingangskreis
10 auf, wobei in der nachfolgenden Betrachtung davon ausgegangen wird, daß es sich
bei dem Näherungsschalter um einen induktiven Näherungsschalter nandelt, dessen
Oszillator-Eingangskreis 10 durch Annäherung eines Elements aus magnetisierbarem
Material bedämpfbar ist.
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Gemäß Fig. 1 ist mit dem Ausgang des Eingangskreises 10 ein Fensterdiskriminator
12 verbunden, der insgesamt drei Ausgänge Al, A2 und Å3 aufweist, von denen
der
Ausgang Al der eigentliche Signalausgang des Näherungsschalters ist, von denen der
Ausgang A2 ein Ausgang ist, auf dem ein Alarmsignal erzeugbar ist und von denen
der Ausgang A3 zu einer Anzeigeeinheit 14 führt. Außerdem ist noch eine Speisespannungsquelle
16 vorgesehen, aus der dem Eingangskreis 10 und dem Fensterdiskriminator 12 eine
geregelte Speisespannung U zuführbar ist.
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Der Oszillator-Eingangskreis 10 kann in üblicher Weise beispielsweise
mit einem Oszillator in Form einer induktiven Dreipunkt-Schaltung ausgebildet sein
und ausgangsseitig einen als Impedanzwandler dienenden Transistor aufweisen, der
einen Strom über einen Widerstand zieht, an dem eine Ausgangsspannung UO niederohmig
abgegriffen werden kann. Dabei ist der Oszillator-Eingangskreis schaltungstechnisch
vorzugsweise so ausgebildet und dimensioniert, daß sich ein möglichst linearer,
analoger Zusammenhang zwischen dem Annäherungsabstand des die Dämpfung des Oszillators
bzw.
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des Eingangskreises 10 beeinflussenden Gegenstandes und der Ausgangsspannung
UO ergibt.
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Wie das detaillierte Schaltbild gemäß Fig. 2 zeigt, besitzt der Fensterdiskriminator
12 zwei Eingänge El und E2 an denen, bezogen auf Bezugspotential - Leitung 18 -
die Speisespannung U bzw. die Ausgangsspannung Uo anliegt. Der Fensterdiskriminator
12 weist einenersten Operationsverstärker OP1 auf, dessen nicht invertierender Eingang
(+) mit dem zweiten Eingang E2 über
einen Widerstand R10 verbunden
ist. Der invertierende Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers OP1 ist mit
dem Abgriff eines Spannungsteilers aus zwei Wider ständen R12, R14 verbunden, der
zwischen dem ersten Eingang Ei und Bezugspotential liegt. Außerdem ist der invertierende
Eingang (-) des ersten Operationsverstärkers OP1 über einen Rückkopplungswiderstand
R16 mit dessen Ausgang verbunden und über einen Widerstand R 17 mit dem Kollektor
eines ersten Transistors T1.
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Am Ausgang des ersten Operationsverstärkers OP1 ergibt sich eine aus
der Ausgangs spannung UO des Eingangskrei" ses 10 abgeleiteten Ausgangsspannung
UO*. Wenn diese Spannung die Schaltspannung einer in Sperrichtung gepolten Zehner-Diode
D1 übersteigt, beispielsweise bei einer Spannung von etwa 3 V, die der unteren Schaltschwelle
des Fensterdiskriminators 12 entspricht, dann wird über einen Spannungsteiler mit
den Widerständen R18 und R19 die Basis des ersten Transistors T1 derart angesteuert,
daß dieser Transistor leitend wird.
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Damit fließt nunmehr ein Strom von dem ersten Eingang El über einen
Spannungsteiler mit den Widerständen R20 R21 und die Kollektor-Emitter-Strecke des
Transistors T1 nach Bezugspotential bzw. zu der Leitung 18. Der Abgriff des Spannungsteilers
R20, R21 ist mit dem invertierenden Eingang (-) eines zweiten Operationsverstärkers
OP2 verbunden, dessen nicht invertierender Eingang (+) über einen Widerstand R22
mit dem ersten Eingang El, über einen Widerstand R23 mit Bezugspotential und über
einen Widerstand R24 mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers
OP1t 9
verbunden ist. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers
OP2 stellt den ersten Ausgang Al des Fensterdiskriminators dar und ist über einen
Rückkopplungswiderstand R25 zur Schaffung der erforderlichen Schalthysterese dem
nicht invertierenden Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers OP2 verbunden.
Am ersten Ausgang Al des Fensterdiskriminators 12 ergibt sich also ein eine Bedämpfung
anzeigendes Ausgangssignal, sobald die untere Schaltschwelle von beispielsweise
etwa 3 V erreicht bzw. überschritten ist.
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Parallel zu dem Spannungsteiler mit den Widerständen R18 und R19 liegt
die Serienschaltung einer weiteren Diode D2 und eines Spannungsteilers mit den Widerständen
R26 und R27. Mit diesem Spannungsteiler ist die Basis eines zweiten Transistors
T2 verbunden, dessen Emitter an Bezugspotential liegt und dessen Kollektor über
einen Widerstand R30 mit dem dritten Ausgang A3 des Diskriminators 12 verbunden
ist, der zu der Anzeigeeinheit 14 führt, die im einfachsten Fall eine Leuchtdiode
LED ist, deren Kathode mit dem Ausgang A3 verbunden ist und deren Anode - in Fig.
2 über den Eingang El - die Speisespannung U zugeführt wird. Die Durchlaßspannung
der Diode D2 ist so gewählt, daß der Transistor T2 bei einem Wert der Spannung UO
leitend wird, der einem Ansprechabstand entspricht, welcher etwa in der Mitte der
durch den Fensterdiskriminator 12 definierten Ansprechzone liegt. Damit bildet die
Anzeigeeinheit 14 bzw. die Leuchtdiode LED eine Hilfseinrichtung für die Positionierung
des
Näherungsschalters bezüglich eines Schaltnockens oder dergleichen,
derart, daß der richtige Abstand zwischen Schaltnocken und Näherungsschalter dann
erreicht ist, wenn die Leuchtdiode LED gerade aufleuchtet. Parallel zu dem Spannungsteiler
R26, R27 liegt die Serienschaltung einer weiteren Diode D3 und eines Spannungsteilers
R28, R29. Der Abgriff dieses Spannungsteilers ist wieder mit der Basis eines Transistors
T3 verbunden, dessen Emitter am Bezugspotential liegt und dessen Kollektor mit der
Basis des zweiten Transistors T2 verbunden ist, so daß dieser gesperrt wird, wenn
der Transistor T3 leitend wird, sobald auch die Durchschaltspannung für die Diode
D3 erreicht ist. Dies bedeutet, daß die Leuchtdiode LED bzw. die Anzeigeeinheit
14 wieder erlischt bzw. abschaltet, sobald sich die Ausgangsspannung UO des Eingangskreises
10 gegenüber der Spannung beim Durchschalten der Diode D2 um einen der Durchschaltspannung
der Diode D3 entsprechenden Wert erhöht hat. (Es versteht sich, daß dabei die Spannunstransformation
durch den ersten Operationsverstärker OP1 zu berücksichtigen ist).
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Parallel zu dem Spannungsteiler mit den Widerständen R28, R29 ist
schließlich die Serienschaltung einer vierten Diode D4 und eines Spannungsteilers
mit den Widerständen R31, R32 vorgesehen, deren gemeinsamer Verbindungspunkt mit
der Basis eines vierten Transistors T4 verbunden ist, dessen Emitter mit Bezugspotential
verbunden ist und dessen Kollektor den zweiten Ausgang A2 des Fensterdiskriminators
12
bildet und über den Widerstand R22 und eine weitere Diode D5
mit dem ersten Eingang El bzw. mit der Speisespannung U verbunden ist. Man erkennt,
daß der Transistor T4 leitend wird, wenn auch die Durchschaltspannung für die Diode
D4 erreicht ist, durch die in Verbindung mit den Dioden D2 und D3 die obere Schaltschwelle
definiert ist. Das Durchschalten des vierten Transistors T4 führt zum Auftreten
eines Ausgangssignals niedrigen Pegels am zweiten Ausgang A2, wodurch eine Fehlfunktion
angezeigt wird, nämlich die Tatsache, daß durch übermäßige Bedämpfung des Eingangskreises,
d.h. durch eine zu starke Annäherung eines Spans oder eines Schaltnockens, die Ausgangsspannung
U des Ein-0 gangskreises unter die untere Schaltschwelle abgesunken ist. Gleichzeitig
wird durch das Durchschalten des vierten Transistors T4 der Widerstand R23 überbrückt
und der nicht invertierende Eingang (+) des zweiten Operationsverstärkers OP2 abgesehen
von den Durchlaßspannungen der Diode D5 und des Transistors T4 auf Bezugspotential
bzw. 1011 gelegt, so daß das die Bedämpfung des Eingangskreises anzeigende "hohe"
Ausgangssignal am ersten Ausgang A1 endet.
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Mit dem anhand der Fig. 2 beschriebenen Diskriminator 12 wird also
erreicht1 daß am Ausgang A1 nur dann einer der Bedämpfung des Eingangskreises entsprechendes
Schaltsignal erscheint, wenn das Eingangssignal des Diskriminators, d.h. das Ausgangssignal
UO des Eingangskreises 10 zwischen definierten Grenzwerten liegt, was bedeutet,
daß sich der Schaltnocken oder
dergleichen in einer definierten
Ansprechzone befinden muß. Außerdem erhält man am Ausgang A2 ein Alarmsignal, welches
eine Fehlfunktion anzeigt, die darauf zurückzuführen ist, daß ein vorgegebener Mindestabstand
eines bedämpfenden Elements vom Näherungsschalter nicht eingehalten wird. Schließlich
erhält man über den Ausgang A3 des Diskriminators 12 ein über die Anzeige 14 auswertbares
Signal, welches die Positionierung des Näherungsschalters auf die Mitte der definierten
Ansprechzone ermöglicht. Dabei versteht es sich, daß die Schaltschwellen durch den
Einsatz von Potentiometern, durch die Umschaltung auf Dioden mit unterschiedlicher
Durchlaßspannung usw. den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden können, wobei
beispielsweise die Art des Bedämpfungsmaterials, die Größe der zu erwartenden Späne
und anderer Einflußgrößen berücksichtigt werden können. Weiterhin wird deutlich,
daß kurzzeitige Störquellen, wie vorbeifallende Eisenspäne, die sichere Funktion
des Näherungsschalters nicht gefährden und auch nicht zu einem Alarmsignal am Ausgang
A2 führen, wenn die Ausgänge A1 und A2 zeitlich verzögert angesteuert werden. Auf
diese Weise ist es möglich, zwischen einem ungefährlichen, vorbeifallenden Eisenspan
und der gefährlichen Annäherung eines Eisenspans an den Näherungsschalter zu unterscheiden,
um im letzteren Fall beispielsweise geeignete Schaltmaßnahmen auszulösen.
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Aus der vorstehenden Beschreibung wird ferner deutlich, daß bei der
beschriebenen Ausgestaltung des
Fensterdiskriminators ohne weiteres
die Möglichkeit besteht, mit dem Ausgang des Eingangskreises paralle-l zwei oder
mehr Fensterdiskriminatoren zu verbinden, von denen dann jeder auf eine andere Ansprechzone
eingestellt werden kann und einen eigenen, dem Ausgang Al entsprechenden Ausgang
besitzt, so daß die Ausgangssignale an den verschiedenen ersten Ausgängen Al in
einer logischen Schaltung miteinander verknüpft werden können, beispielsweise um
die Stellung zweier oder mehrerer dem Näherungsschalter zugeordneter Schaltnocken
auszuwerten.
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Das Diagramm gemäß Fig. 3 zeigt als ausgezogene Linie den Spannungsverlauf
am Ausgang A1 des Diskriminators und als gestrichelte Linie den Spannungsverlauf
am Ausgang A2 des Diskriminators über dem Annäherungsabstand s. Man erkennt, daß
das Signal am Ausgang Al bei Annäherung eines einer Bedämpfung des Eingangskreises
bewirkenden egenstands bei einem Abstand von dem Wert "0" auf eine Spannung springt,
die etwa der Speisespannung U entspricht. Dies bedeutet einen Sprung von dem Pegel
"0" auf den Pegel "1". Der Pegel "1" bleibt erhalten, bis eine stärkere Annäherung
bis auf einen Abstand s2 erfolgt ist. Bei diesem Abstand endet beim Ausführungsbeispiel
die Ansprechzone, so daß der Pegel am Ausgang A1 wieder auf den Wert "O" zurückfällt.
Wenn andererseits der Abstand des bedämpfenden Elementes ausgehend von einem Abstand
innerhalb der definierten Ansprechzone wieder zunimmt, dann fällt der Pegel des
Signals am Ausgang A
verzögert beim einem Abstand s1 ab, der etwas
größer ist als der Abstand 51 (Hysterese!). Fig. 3 zeigt ferner, daß bei dem vereinfachten
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der Pegel am Ausgang A2 - Alarmsignal -bereits
kurz vor Erreichen des unteren Grenzwerts s2 bei einem Abstand s'2 2 auf den Pegel
"1" springt. In der Praxis ist die Differenz zwischen den Abständen und 5'2 jedoch
denkbar gering, so daß der Signalpegel "1" am Ausgang A1 praktisch für den vollen
Eereich zwischen den Abständen sl und s2 gilt. Schließlich ist in Fig. 3 noch ein
Bereich L schraffiert eingezeichnet, in dem die oben erläuterte Anzeige bzw. Leuchtdiode
aufleuchtet. Dabei ist in diesem Zusammenhang noch anzumerken, daß die Leuchtdiode
LED bei der Schaltung gemäß Fig. 2 allmählich zu leuchten beginnt, in der Mitte
der definierten Ansprechzone am hellsten leuchtet und dann bei weiter absinkender
Ausgangsspannung des Eingangskreises wieder dunkler wird, bis sie schließlich erlischt.
Es erfolgt also eine analogie Anzeige, die eine besonders genaue Positionierung
des Näherungsschalters ermöglicht.