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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen redundanten Näherungsschalter, mit wenigstens
einem Hell-/Dunkeländerungen erfassenden Photosensor, insbesondere Photowiderstand,
und mit wenigstens einer nachgeschalteten, insbesondere Signaländerungen erfassenden
Auswerteschaltung zur Erzeugung von Steuerausgangssignalen.
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Der Einsatz optoelektronischer Bauelemente, wie Photowiderstände,
-dioden und -transistorcn zur Detektierung der Anwesenheit von Personen und Sachen
ist allgemein bekannt. so z.B. in Lichtschranken für Auf"üge, oder in Schaufenster-Präsentiereinrichtungen.
wo die Anwesenheit von menschlichen Betrachtern Bewegungsvorgänge auslöst. Insbesondere
bei Schaufenster-Präsentiereinrichtungen kommt es darauf an, daß der lichtempfindliche
Sensor eine gewisse Selektivität aufweist, also z.B. zwischen vor dem Schaufenster
stehenden Personen und am Schaufenster vorbeifahrenden Fahrzeugen mit Scheinwerferlicht
unterscheidet.
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Ein Einsatz der eingangs genannten Näherungsschalter in Apparatesteuerungen,
Handhabungsautomaten oder dgl. bringt erhöhte Anforderungen an Sicherheit und Zuverlässigkeit
mit sich. Es gehört zum allgemeinen Fachwissen, bei Näherungsschaltern auf der Basis
von lichtempfindlichen Sensoren die Zuverlässigkeit durch Hinzufügen weiterer, redundanter
Photosensoren zu erhöhen. Hierdurch ist jedoch noch kein Beitrag zur Erhöhung der
Funktionssicherheit gewährleistet, weil nämlich die redundanten Sensorkanäle auf
dem gleichen Funktionsprinzip beruhen und damit gleichartig Störeinflüssen ausgesetzt
sind. Vielmehr kann es zu gleichzeitigen Fehlfunktionen der zueinander redundanten
Sensorkanäle mit Fehlerwirkungen in gleiche Richtungen kommen, wobei die Fehler
dann nur sehr schwer zu erkennen sind.
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Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde. bei einem eingangs
genannten Näherungsschalter neben seiner Zuverlässigkeit auch seine Funktionssicherheit
zu erhöhen. Dabei soll die Anzahl der zur Realisierung erforderlichen Bauelemente
niedrig sein.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Näherungsschalter als
weiteren Näherungssensor wenigstens einen kapazitiven Meßfühler (Kapazitätssensor)
aufweist, dessen Kapazitätsänderungen über die Auswerteschaltung die Steuerausgangssignale
ebenfalls beeinflussen.
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Die Erfindung beruht also wesentlich auf die Diversität der zueinander
redundanten Sensorkanäle: Zur Erfassung sich nähernder Objekte wird einerseits ein
Photosensor eingesetzt, welcher bei kleinen Beleuchtungsstärken verhältnismäßig
hohe Einstellzeiten aufweist.
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Überdies haben z.B. manche Photowiderstände den Nachteil, daß sie
nach längerer Belichtung mit großer Beleuchtungsstärke höhere Widerstandswerte aufweisen,
als wenn sie im Dunkel aufbewahrt worden wären.
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Zum Ausgleich spezifischer Nachteile des photoempfindlichen Sensorkanals
wird ein weiterer Sensorkanal in diversitärer Ausführung angewandt. welcher als
kapazitiver Meßfühler ausgeführt ist. Dieser ist vor allem gegenüber den Störeinflüssen
unempfindlich, aufgrund welcher die Photosensoren leicht Fehlfunktionen ausführen
können. Werden die aus dem Photosensor und dem Kapazitätssensor herrührenden Resultate
in entsprechender Weise miteinander verglichen und/oder verknüpft, so läßt sich
für die in den Ausgangssteuersignalen des Näherungsschalters enthaltenen Informationen
ein erhöhtes Maß an Sicherheit gewinnen. Dies ist letztlich auf die Diversität der
redundanten Sensorkanäle - d.h. diese beruhen auf unterschiedlichen physikalischen
Grundprizipien - zurückzuführen.
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Um den Kapazitätssensor leicht an Gehäusen mit ebenen Oberflächen
oder Schaufenstern unterbringen zu können, ist es zweckmäßig diesen als Kondensator
mit zwei metallischen, leicht anbringbaren Flächen auszubilden. Dessen Kapazizät
ändert sich bei Annäherung einer Person oder eines Gegenstandes.
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I)amil der erfindungsgemäße Näherungsschalter besonders auf den Wechsel
von Licht/Schatten und der Abwesenheit bzw. Anwesenheit von Objekten ansprechen
kann, umfaßt gemäß einer weiteren Ausbildung die Auswerteschaltung neben dem Verstärker
einen Differenzbildner oder ein Differenzierglied. Diese haben die Aufgabe, kurzzeitige
Signaländerungen, auf die es beim Detektieren von sich nähernden Objekten im wesentlichen
ankommt, zu verstärken. Um diese verstärkten Signaländerungen einer weiteren digitalen
Signalverarbeitung zugänglichzumachen, wird zweckmäßigerweise eine Impulsformerstufe
nachgeschaltet. Beispielsweise kann zur Differenzbildung ein Differenzverstärker,
als Differenzierer ein RC-Hochpaß und als Impulsformer ein Schmitt-Trigger Verwendung
finden.
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Im weiteren stellt sich das Problem der Erfassung und Aufbereitung
der Kapazitätsänderungen des Kapazitätssensors. Zur Lösung wird dieser erfindungsgemäß
als Koppelkondensator zwischen einem auf einer Frequenz von z.B. 16 kllz schwingenden
Oszillator und einer dessen Schwingungen verstärkenden Verstärkerstufe geschaltet.
Nähert sich eine Person oder ein sonstiges Objekt dem Kapaitätssensor. dann wird
dessen Kapazität verkleinert und damit die daraus resultierende Impedanz erhöht.
Dies führt zu einer Dämpfung der vom Oszillator durch den Kapazitätssensor zur Verstärkerstufe
übertragenen Schwingungen.
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Um die bei Annäherung von Objekten verstärkte Dämpfung von Schwingungen
zu detektieren, wird das Ausgangssignal des Verstärkers zunächst einem Glättungsglied
zugeführt. Dieses kann beispielsweise aus einer Schwingungshalbwellen abschneidenden
Diode und einem Ladekondensator gebildet sein. Das Ausgangssignal des Glättungsglieds
wird den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt, wobei einem Eingang ein
Verzögerungsglied vorgeschaltet ist. Im Ruhezustand liegt am Eingang des Differenzverstärkers
eine konstante Differenzspannung an, so daß an dessen Ausgang ebenfalls konstantes
Signal abgreifbar ist. Bei Veränderung der Schwingungsamplitude, z.B. aufgrund Annäherung
einer Person an den Kapazitätssensor, ändert sich der Pegel des geglätteten Ausgangssignals
des Verstärkers und wird dem einen Eingang des nachfolgenden Differenzverstärkers
unmittelbar und dem weiteren Eingang des Differenzverstärkers über das Verzögerungsglied
zugeführt. Für eine bestimmte Zeit - entsprechend der Zeitkonstante des Verzögerungsglieds
-entsteht am Eingang des Differenzverstärkers ein Spannungsunterschied, welcher
sich am Ausgang des Differenzverstärkers in einer der Zeitkonstante des Verzögerungsglieds
entsprechenden Erhöhung oder Erniedrigung des Spannungspegels manifestiert.
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Dieser Spannungsimpuls stellt die Information dar, daß der Kapazitätssensor
angesprochen hat, und kann zur digitalen Weiterverarbeitung verwendet werden.
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Bei Entfernung der Person oder des Objekts vom Kapazitätssensor entsteht
in analoger Weise ein entsprechender negativer oder positiver Ausgangsimpuls.
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Um der Eingangs genannten Aufgabe der Erhöhung der Funktionssicherheit
des Näherungsschalters gerecht zu werden, stellt sich schließlich das Problem, die
aus dem Kapazitätssensor und dem Photosensor gewonnenen und aufbereiteten Signale
insbesondere logisch miteinander verknüpfen zu können . Hierdurch sollen Schaltbedingungen
herleitbar sein, mittels welcher auf die Ausgangssteuersignale der Auswerteschaltung
entsprechend Einfluß genommen werden kann.
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Hierzu wird gemäß einer erfindungsgemäßen Ausbildung dem Photosensor
und dem Kapazitätssensor jc eine Auswerteschaltung, bestehend aus einem Verstärker,
Differenzierer und einem Impulsformer, zugeordnet. Die Auswerteschaltungen weisen
zweckmäßigerweise je zwei Ausgangssteuersignale auf, von denen das eine "Objekt
anwesend" und das andere "Objekt abwesend" anzeigen kann.
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Die Ausgangssteuersignale werden in einem nachgeschalteten Datenregister
zusammengefaßt, welches beispielsweise Datenflipflops als Grundbausteine umfaßt.
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Damit stehen in vorteilhafter Weise die aus den redundanten Sensorkanälen
abgeleiteten Informationen als leicht weiterverarbeitbare Datenbits zur Verfügung.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird eine besonders
einfache, kostengünstige und zuverlässige Realisierung einer logischen ODER-Verknüpfung
der beiden Binärinformationen aus dem Photosensor und dem Kapazitätssensor erreicht:
Der den Positiv- oder Negativimpuls führende Ausgang der Auswerteschaltung für den
Kapazitätssensor wird mit dem Ausgang des Photosensors, insbesondere dem Photowiderstand,
direkt zu einem "wired or" verdrahtet. Diese "wired or"-Vcrdrahtung ist zur Implllsverstälkung
ein Differenzierglied mit nachfolgendem Impulsformer nachgeschaltet.
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Wegen weiterer Ausbildungen und Verbesserungen der Erfindung wird
auf die Unteransprüche verwiesen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der
Erfindung; Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Änderungen in der Kapazität des kapazitiven Sensors detektierende Auswerteschaltung.
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Gemäß Fig. 1 besteht der erfindungsgemäße Näherungsschalter aus zwei
redundanten Sensorkanälen mit dem Photosensor 1 bzw. dem kapazitiven Meßfühler (Kapazitätssensor)
2 sowie diesen jeweils nachgeschalteten Auswerteschaltungen. Diese umfassen jeweils
einen Meßverstärker 3, ein Differenzierglied 4 und einen Impulsformer 5. Das Differenzierglied
4 kann als Hochpaßfilter, der Impulsformer 5 als Schmitt-Trigger oder als Schwellwertschalter
ausgeführt sein. Die Impulsformer 5 weisen je zwei getrennte Ausgänge auf, an denen
ein die Annäherung eines Objekts darstellender Negativimpuls bzw. die Entfernung
eines Objekts darstellender Positivimpuls abgreifbar ist. Diese digitalisierten
Ausgangssignale werden in einem Datenregister 6, bestehend aus Datenflipflops 7,
8, zusammengefaßt. Dabei sind die Negativ-lmpulsausgänge der Impulsformer 5 jeweils
mit den negativ-flankengetriggerten Takteingängen der Datenflipflops 7, und die
Positiv-Impulsausgänge der Impulsformer 5 jeweils mit den positiv-flankengetriggerten
Takteingängen der Datenflipflops 8 verbunden. Die logische Verknüpfung zur Verarbeitung
der Meßergebnisse aus dem Photosensor 1 und dem Kapazitätssensor 2 kann dann in
der übergeordneten, digitalen Steuerung 9 stattfinden, wenn diese die sensorgemäßen
Ausgangsbits des Datenregisters 6 einliest.
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Beim Näherungsschalter gem. Fig. 2 besteht die zweikanalige Sensorik
aus einem Photowiderstand 10 und einem Kapatizätssensor 11, dem eine schematisch
gezeichnete Auswerteschaltung 12 nachgeschaltet ist. Der Photowiderstand 10 bildet
zusammen mit einem Widerstand R 1 einen Spannungsteiler, welcher zwischen dem positiven
und dem negativen Anschluß einer Stromver-
sorgung 13 geschaltet
ist. Der Ausgang der Auswerteschaltung 12 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt
des Photowiderstands 10 und des ohmschen Widerstands R 1 direkt verdrahtet und stellt
eine sogenannte "wired or"-Verknüpfung dar: Bei Verminderung der Beleuchtungsstärke
des Photowiderstands 10 nimmt dessen ohmscher Widerstand entsprechend zu, so daß
das Spannungspotential am "wired or"-Verknüpfungspunkt 14 abfällt. Mit Abnahme der
Beleuchtungsstärke nimmt gleichzeitig die Kapazität des Kapazitätssensors 11 ab,
woraus die Auswerteschaltung 12 ein zweckmäßigerweise abfallendes Spannungspotential
am "wired or"-Verknüpfungspunkt 14 erzeugt, welches dem vom Photowiderstand 10 herrührenden
Spannungspotenialabfall überlagert ist Der der "wired or"-Verknüpfung 14 nachgeschaltete
Hochpaß, bestehend aus der Kapazität C1 und dem Widerstand R 2, leitet aus dem entweder
vom Photowiderstand 10 oder vom Kapazitätsensor 11 mit Auswerteschaltung 12 oder
von beiden herrührenden Spannungspotenialabfall einen negativen nadelähnlichen Impuls
ab (entsprechend der Kurve 15), welcher unter anderem dem negativflankengetriggerten
Eingang eines Zeitschaltglieds 16 zugeführt wird. Dieses erzeugt an seiem Ausgang
einen entsprechenden Schaltimpuls (EIN).
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Bei Entfernung des sensierten Objekts wird vom Hochpaß (C 1, R 2)
in analoger Weise ein positiver, nadelähnlicher Impuls erzeugt (s. Kurve 15), welcher
unter anderem dem positiv-flankengetriggerten Zeitschaltglied 17 zugeführt wird,
an dessen Ausgang dann ein entsprechender Schaltimpuls entsteht (AUS). Die flankengetriggerten
Eingänge der Zeitschaltglieder 16, 17 werden von einem aus den Widerständen R 3
und R 4 bestehenden Spannungsteiler auf ein bestimmtes Ruhepotenial gehalten.
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Da bei der Ausführung nach Fig. 2 der RC-Hochpaß, bestehend aus dem
Kondensator C1 und dem Widerstand R 2, sowohl vom Photowiderstand 10 als auch von
Kapazitätssensor 11 mit Auswerteschaltung 12 jeweils getrennt als auch von beiden
gleichzzllig nadelähnliche Impulse abzuleiten vermag, welche die Schaltglieder 16
bzw. 17 ansteuern, kann hier von der Realisierung einer logischen ODER-Funktion
gesprochen werden.
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In Fig. 3 ist die Auswertung der Kapazitätsänderungen des kapazitiven
Meßfühlers (Kapazitätssensors) 2 ersichtlich. Ein Blockkondensator 14 dient als
Energiespeicher für die Stromversorgung. Ein Operationsverstärker 19 wirkt aufgrund
seiner Außenbeschaltung, bestehend aus den Widerständen R 5, R 6, R 7, R 20, dem
Trimmwiderstand Trund dem Kondensator C2, als Oszillator, dessen Schwingfrequenz
von dem Widerstand R 7 und dem Kondensator C2 beeinflußt wird. Zweckmäßig ist eine
Schwingfrequenz von 16 kHz. Mit dem Mittelabgriff des Trimmwiderstands Tr ist der
eine Anschluß des Kapazitätssensors 2, mit dem an Minus-Potential gelegten Widerstand
R 8 und dem hochohmigen Eingang eines Feldeffekttransistors FETder andere Anschluß
verbunden. Der Kapazitätssensor 2 stellt somit ein Koppelglied zwischen dem vorausgehenden
Oszillator mit dem Operationsverstärker 19 und der nachfolgenden hochohmigen Eingangsstufe
mit dem Feldeffekttransistor FET des darauffolggenden Verstärkers dar. Bei dem in
Drain-Schaltung angeordneten Feldeffekttransistor FETist die Drain-Elektrode über
den Widerstand R 9 an positives Versorgungspotenial, die Source-Elektrode über den
Widerstand R 10 negatives Versorgungspotenial gelegt. Der FETstellt einen hochohmigen
Impedanzwandler dar, dessen Ausgang über den Kondensator C3 mit dem nachfolgenden
Transitorverstärker, bestehend aus dem Transistor T1 in Emitterscl1altung sowie
den dazu gehörigen Widerständen R 11, R 12 und R 13. Der Ausgang des Transistorverstärkers
ist über den Widerstand R 14 an die Kathode einer Diode D gelegt, welche zusammen
mit den Kondensator C4 und dem Widerstand R 18 einen Gleichrichter darstellen. Das
an der Anode der Diode D abgreifbare, geglättete Spannungspotenial wird dem Ein
gang Emitterfolgers, bestehend aus dem Transistor T2 und dem Widerständen R 15 und
R 16, zugeführt. Die Widerstände R 15, R 16 stellen einen Spannungsteiler dar, dessen
mittlerer Spannungsabgriff dem nicht-invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers
20 zugeführt ist. Die Emitter-Elektrode des Transistor T2 ist mit dem Eingang eines
RC-Verzögerungsglieds, bestehend aus dem Widerstand R 17 und dem Kondensator C5,
verbunden. Der Ausgang des Verzögerungsglieds ist mit dem invertierenden Eingang
des weiteren Operationsverstärkers 20 verbunden. Somit liegt im Ruhezustand eine
konstante Differenzspannung am Eingang des weiteren Operationsverstärkers 20 an.
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Eine Änderung der Kapazität des Kapazitätssensors 2 aufgrund einer
Annäherung oder Entfernung eines Objekts von demselben führt zu einer Änderung der
Gleichspannung am Ausgang des Emitterfolgers mit dem Transistors T2 , welche über
den Spannungsteiler R 15, R 16 am nicht-invertierenden Eingang des weiteren Operationsverstärkers
unmittelbar und über das Verzögerunsglied R 17, C5 entsprechend dessen Zeitkonstante
verzögert am invertierenden Eingang des weiteren Operationsverstärkers 20 anliegt.
Damit ändert sich an dessen Eingang die Differenzspannung lediglich für die Dauer
der durch das RC-Glied R 17, C5 bewirkten Zeitverzögerung, so daß am Ausgang des
weiteren Operationsverstärkers 20 ein einzelner Impuls entsteht, dessen Pulsdauer
von der Zeitkonstante des Verzögerungsglieds R 17, C5 abhängt. Im vorliegenden Fall
handelt es sich - entsprechend der Beschaltung des invertierenden und des nichtinvertierenden
Eingangs des Operationsverstärkers 20 - um einen negativen Spannungsimpuls 21 ,
welcher am Widerstand R 19 zur weiteren Verarbeitung abgegriffen werden kann. Richtung
und Dauer der Spannungsänderung am Ausgang des weiteren Operationsverstärkers 20
sind sowohl bei Annäherung eines Objekts an den Kapazitätssensor 2 als auch bei
Entfernung desselben stets gleich.
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