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Induktiver Zweidraht-Näherungsschalter
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Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Zweidraht-Näherungsschalter,
dessen-von außen beim Bedämpfen beeinflußbarer Oszillator vom schwingenden in einen
nichtschwingenden Zustand übergeht, wobei die Gesamtstromaufnahme des Näherungsschalters
auswertbar sinkt, mit einem in Emitterschaltung arbeitenden, durch einen Emitterwiderstand
gegengekoppelten Oszillatortransistor.
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Derartige elektronische Näherungsschalter werden seit vielen Jahren
als Ersatz von mechanischen Schaltern in Steuerkreisen der Meß- und Regelungstechnik
verwendet, beispielsweise auch in Anlagen der Eisenbahnsicherungstechnik. Auf Grund
der robusten Bauweise haben sich derartige Näherungsschalter besonders als Schienenkopfkontakte
für Gleisfreimelde- und Schaltaufgaben in Ablaufanlagen in besonderer Weise bewährt.
Sie gestatten ein berührungsloses Schalten und haben eine relativ hohe Betätigungsfrequenz
sowie eine große Lebensdauer. Sie arbeiten nahezu ohne Verschleiß, also unabhängig
von der Anzahl der durchgeführten Schaltspiele, auch bei sehr unwirklichen Umwelteinflüssen,
so z.B. bei hohen Stoßbelastungen in Eisenbahnanlagen.
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Das Funktionsprinzip eines bekannten induktiven Zweidraht-Näherungsschalters
ist relativ einfach und beispielsweise in der DE-PS 29 15 110 näher beschrieben.
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Derartige Näherungsschalter enthalten grundsätzlich einen LC-Oszillator
in Meißner-, Hartley- oder Colpitts-Schaltung in Verbindung mit mehr oder weniger
zusätzlichem Bauteileaufwand zum Realisieren speziell vorge-
gebener
Aufgabenstellungen. Zur äußeren Beeinflussung eines derartigen induktiven Zweidraht-Näherungsschal
ters durch Bedampfung ist mindestens ein Teil einer Oszillatorspule gegenüber der
Umwelt so angebracht, daß passierende Metallteile in den Einwirkbereich desSchwingkreises
gelangen können, derart, daß die bis dahin vorhanden gewesenen Schwingungen des
Oszillators aufhören.
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Dabei ändert sich auch die Stromaufnahme über eine die Energieversorgung
übernehmende Zweidrahtleitung, so daß an einer entfernt liegenden Stelle, von welcher
auch die Stromversorgung ausgeht, die jeweilige Beeinflussung des Näherungsschalters
durch Auswerten der eingetretenen anderen Stromaufnahme ermittelt werden kann.
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Nach dem Entfernen des den Oszillator bedämpfenden Metallteiles, z.B.
eines Fahrzeugrades, setzen die Schwingungen bezüglich der Amplitude langsam wieder
exponentiell ein. Die Zeitkonstante dieses Vorganges ist um so größer, je empfindlicher
die Schwingbedingung, also die Ansprechschwelle des Näherungsschalters, eingestellt
ist. Dies führt jedoch zu Problemen bei der Erkennung schneller Vorgänge, so wie
sie beim Einsatz eines Näherungsschalters als Radsensor für schnellfahrende Züge
auftreten können.
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Bei der Verwendung der Näherungsschalter in unmittelbarer Nähe einer
Bahnrückstrom führenden Schiene kann bereits bei den bisher bekannten Oszillatoren
eine unerwünschte Beeinflussung stattfinden. Dies macht sich in einer zeitlichen
Verfälschung der Anschwingzeit und damit u. U. in jeder Einzelbeeinflussung durch
ein passierendes Fahrzeugrad bemerkbar. Dieser störende Einfluß kann soweit gehen,
daß einzelne Beeinflussungen nicht mehr erkannt werden können, weil der Oszillator
in
nicht erwünschter Weise abgeschaltet bleibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Zweidraht-Näherungsschalter
der oben angegebenen Art dahingehend zu verbessern, daß die Schwingungen beim Wiederanschwingen
des Oszillators mit besonders kurzer Zeitkonstante exponentiell ansteigen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Emitterwiderstand
über den Fototransistor eines Optokopplers ein weiterer Widerstand parallelgeschaltet
ist, daß in Reihe mit dem Näherungsschalter ein Vorwiderstand vorgesehen ist, dem
über einen Kondensator die Leuchtdiode des Optokopplers mit einer derartigen Polung
parallelgeschaltet ist, daß beim Übergang vom nichtschwingenden in den schwingenden
Zustand die Gegenkopplung des Oszillatortransistors herabgesetzt wird und daß der
Leuchtdiode eine weitere Diode antiparallel geschaltet ist.
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Der besondere Vorteil dieses erfindungsgemäßen Zweidraht-Näherungsschalters
ist, daß er zum Detektieren von mit hoher Geschwindigkeit passierender metallischer
Teile, z.B. von Fahrzeugrädern, imBereich von Bahnrückstrom führenden Gleisen geeignet
ist, da auf Grund des nunmehr ermöglichten schnellen Anschwingens nach jeder Beeinflussung
ein eventueller Bahnrückstrom so gut wie keinen Einfluß nehmen kann auf die Schaltzeit
des Näherungsschalters.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend näher erläutert.
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In der Zeichnung ist ein induktiver Zweidraht-Näherungsschalter unter
Verwendung einer Hartley-Oszillatorschal-
tung dargestellt. Diese
Schwingschaltung arbeitet im B-Betrieb und ist auch als induktive Dreipunkt-Schaltung
bekannt geworden. An einen in Emitterschaltung arbeitenden Oszillatortransistor
T1, der durch einen Emitterwiderstand R1 gegengekoppelt ist, ist ein Schwingkreis
angeschlossen, der aus einer angezapften Spule L und einem Kondensator Cl besteht.
Die Steuerstrecke eines Transistors T2 dient in Verbindung mit einem Widerstand
R2 lediglich zur Vorgabe eines Schwellwertes, der nach Größe und Temparaturverhalten
demjenigen'des Oszillatortransistors T1 entspricht. Somit braucht die Kollektorelektrode
des Transistors T2 nicht weiter beschaltet zu werden. Die Stromversorgung der Oszillatorschaltung
erfolgt über einen Vorwiderstand R4 und eine Zweidrahtleitung L10, L20, die durch
einen Kondensator C2 abgeblockt ist. Parallel zum das Schwingverhalten der Schaltung
mitbestimmenden Emitterwiderstand R1 liegt ein Widerstand R3 in Reihe mit einem
Fototransistor FR eines Optokopplers OK. In unbeleuchtetem Zustand des Fototransistors
FR ist der Widerstand R3 abgeschaltet, so daß allein der Wert des Emitterwiderstandes
R1 einen Beitrag zur Gegenkopplung des Oszillators liefert. Wird dagegen der Fototransistor
FR durch die zugehörige Leuchtdiode LD des Optokopplers OK beleuchtet, ist der Widerstand
R3 eingeschaltet, und als Gesamt-Emitterwiderstand ist die Parallelschaltung aus
den Widerständen R1 und R3 zu werten.
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Der zusätzlich zum Emitterwiderstand R1 vorgesehene Widerstand R3
sowie die zu dessen Ein- bzw. Ausschalten noch erforderlichen Bauteile haben die
Aufgabe, den Oszillator des induktiven Näherungsschalters hinsichtlich seines Anschwingverhaltens
nach einer Beeinflussung der Spule L zu verbessern, derart, daß der Anschwingvorgang
in
einem möglichst kurzen Zeitraum beendet ist.
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Wie bereits oben angedeutet ist, erfolgt die Stromversorgung der Oszillatorschaltung
über den Vorwiderstand R4 und die Zweidrahtleitung L10, L20. Durch eine Strichlierung
dieser Zweidrahtleitung ist angedeutet, daß die Stromversorgung des induktiven Näherungsschalters
über eine lange Leitung erfolgen kann und von einem Anlagenteil AG ausgeht, der
eine Strombewertungsschaltung SG enthält. Die Energierversorgung erfolgt über die
Klemmen K1 und K2 durch Anlegen einer Gleichspannung UB.
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Die Stromversorgung der Leuchtdiode LD des Optokopplers OK erfolgt
auf Grund des Ladevorganges eines mit der Leuchtdiode LD in Reihe geschalteten Kondensators
C3.
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durch einen entsprechenden Spannungsabfall am Vorwiderstand R4. Antiparallel
zur Leuchtdiode LD ist eine weitere Diode D vorgesehen, die einen Entladevorgang
des Kondensators C3 erst dann gestattet, wenn der Spannungsabfall am Vorwiderstand
R4 kleiner ist als die Ladespannung des Kondensators C3.
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Im unbeeinflußten Betrieb des induktiven Näherungaschalters schwingt
die Oszillatorschaltung und nimmt dabei einen von der Strombewertungsschaltung SG
detektierbaren vorgegebenen Strom auf. Dabei ist die am Emitterwiderstand R1 infolge
des durch diesen Widerstand fließenden Stromes abfallende Spannung kleiner als die
in der Spule L transformatorisch erzeugte Teilspannung zwischen dem Abgriff und
der Emitterelektrode des Transistors T2.
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Würde bei einer Dimensionierung der Wert des Emitterwiderstandes R1
gegenüber einem vorgegebenen Wert vergrößert, verringert sich die am Oszillatortransistor
T1 wirksame Steuerspannung. Hierdurch würde die Ansprechempfindlichkeit hinsichtlich
eines auszulösenden Ab-
schaltvorganges der Oszillatorschaltung
zeigen. Ein derartiger Abschaltvorgang ist stets dann erwünscht, wenn ein zu detektierendes
Metallteil sich der Spule L von außen nähert. Mit dem Ausbleiben der Schwingungen
der Oszillatorschaltung sinkt auch der aufgenommene und über die Zweidrahtleitung
L10, L20 fließende Strom.
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Dies wird durch die entsprechend eingestellte Triggerschwelle der
Strombewertungsschaltung SG ausgewertet und an nicht weiter dargestellte Einrichtungen
über eine Leitung L3 gemeldet.
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Zurückkommend auf den Zustand einer schwingenden Oszillatorschaltung
kann angenommen werden, daß sich der Kondensator C3 auf Grund des im schwingenden
Zustand der Oszillatorschaltung sich am Vorwiderstand R4 ergebenden Spannungsabfalles
auf einen festen Spannungswert aufgeladen hat. Dabei fließt über die Leuchtdiode
LD kein Ladestrom mehr, und der Fototransistor FR des Optokopplers OK ist abgeschaltet.
Somit ist die Oszillatorschaltung ausschließlich durch den Wert des Emitterwiderstandes
R1 gegengekoppelt und läßt sich hinsichtlich eines Abschaltvorganges leicht beeinflussen.
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Sobald sich nun ein zu detektierendes Metallteil in den Einflußbereich
der Spule L begibt, wird die Oszillatorschaltung zusätzlich bedämpft, und die Schwingungen
reißen ab. Dies hat zur Folge, daß die Gesamtstromaufnahme über die Zweidrahtleitung
L10, L20 sinkt. Hierdurch verringert sich der Spannungsabfall am Vorwiderstand R4,
so daß sich der Kondensator C3 über die Diode D entladen kann. Bei diesem Vorgang
ist der Optokoppler OK nach wie vor abgeschaltet und damit der Widerstand R3 noch
unwirksam. Nachdem das zu detektierende Metallteil den Einflußbereich der Spule
L wieder verlassen hat, ist
die zusätzliche Bedämpfung wieder aufgehoben.
Hiernach bauen sich am Schwingkreis L/C1 wieder Schwingungen auf, und zwar bezüglich
deren Amplitude in exponentieller Weise. Die Zeitkonstante dieses Einschwingvorgangesnimmt
mit dem ohmschen Wert des Emitterwiderstandes R1 zu. Das liegt daran, daß bei sehr
kleiner Steuerspannung am Oszillatortransistor T1, also bei einem größeren Wert
des Emitterwiderstandes Rl, auch nur ein recht geringer Energieanteil zur Verfügung
gestellt wird, der pro Halbwelle in den Schwingkreis L/C1 eingespeist wird. Wenn
nun im Rahmen des Einschwingvorganges der über den Vorwiderstand R4 fließende Strom
ansteigt, wird bei entsprechender Dimensionierung des Vorwiderstandes R4 ein derartiger
Spannungsabfall erreicht, daß die Leuchtdiode LD des Optokopplers OK anschaltet,
wobei ein Ladestrom hinsichtlich des Kondensators C3 fließt. Dabei wird der Fototransistor
FR des Optokopplers OK leitend und schaltet dem Emitterwiderstand R1 den Widerstand
R3 parallel.
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Hierdurch wird die Gegenkopplung der Oszillatorschaltung erniedrigt,
was zu einer höheren Stromaufnahme und einem schnelleren Anschwingen der Oszillatorschaltung
führt. Die Aufladezeit des Kondensators C3 verlängert sich dabei. Sobald dieser
Ladevorgang des Kondensators C3 beendet ist, wird die Leuchtdiode LD des Optokopplers
OK wieder abgeschaltet und damit schließlich auch der Widerstand R3. Von diesem
Zeitpunkt ab ist für die Oszillatorschaltung nur noch der Emitterwiderstand R1 wirksam.
Dadurch fällt die Stromaufnahme der Oszillatorschaltung auf einen vorgegebenen stationären
Wert zurück. Dabei verringert sich der Spannungsabfall am Widerstand R4, so daß
sich der Kondensator C3 über die Diode D teilweise entlädt. Damit ist für den induktiven
Näherungsschalter wieder der stationäre, schwingende Schaltzustand erreicht, in
welchem erneut ein zu detektierendes Metallteil erwartet werden kann.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen schaltungstechnischen Maßnahme hinsichtlich
einer Anschwinghilfe ist ein induktiver Näherungsschalter entstanden, der auch bei
hohen Bahnrückströmen durch die Schienen bei 16 2/3 Hertz ein ausreichendes Schaltverhalten
aufweist, so daß auch der Einsatz im Eisenbahnsicherungswesen zum Erkennen schnellfahrender
Fahrzeugräder erfolgen kann, ohne daß etwa das eine oder andere Rad nicht erkannt
würde.
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Die erläuterte Schaltungsanordnung kann in vorteilhafter Weise weitergebildet
werden mit dem Ziel, daß auch beim langsamen Annähern eines zu detektierenden Metallteiles,
also bei einer langsam zunehmenden Bedämpfung des Schwingkreises, eine angenähert
sprunghafte Änderung der Oszillatorstromaufnahme erfolgt. Dies wird gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Zweidraht-Näherungsschalters dadurch
erreicht, daß dem Kondensator C3 ein ohmscher Widerstand R5 parallelgeschaltet wird.
Dies ist in der Zeichnung durch strichlierte Leitungsverbindungen angedeutet. Durch
den Widerstand R5 wird beim Oszillator ein Triggerverhalten mit kleiner Hystern
sie hervorgerufen.
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2 Patentansprüche 1 Figur
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