DE69513270T2

DE69513270T2 - Hochfrequenzsensoranordnung

Info

Publication number: DE69513270T2
Application number: DE69513270T
Authority: DE
Inventors: Misako Inagami; Eiji Kasai; Akinori Katoh
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1994-11-30
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2015-11-28
Also published as: KR0168242B1; EP0715152B1; KR960018575A; DE69513270D1; EP0715152A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung, welche ein Hochfrequenzsignal zum Abfühlen eines Objekts verwendet, und genauer auf eine verbesserte Vorrichtung, die in der Lage ist, die Anwesenheit oder Abwesenheit verschiedener Artikel, wie von Material, Flüssigkeit, Pulver und des menschlichen Körpers, und dergleichen abzufühlen.

2. Diskussion des Standes der Technik

Herkömmliche Sensorvorrichtungen zum Abfühlen der Anwesenheit oder Abwesenheit und der Art von Material und Flüssigkeit werden durch eine Vorrichtung dargestellt, die eine elektrisch leitende Methode zur Feststellung eines Spannungsabfalls einer an das Material angelegten Elektrizität oder eine dielektrische Methode durch Berührung derselben, einen Annäherungsschalter, eine photoelektrischen Schalter und einen Ultraschallschalter verwendet. Herkömmliche Sensorvorrichtungen zum Abfühlen der Anwesenheit oder Abwesenheit des menschlichen Körpers werden durch einen Gewichtssensor zur Messung des Gewichts, einen Sensor mit elektrostatischer Kapazität, der eine elektrostatische Kapazität ausnützt, die sich mit Annäherung des menschlichen Körpers verändert, einen Photosensor zur Feststellung der Reflexion oder Unterbrechung durch den menschlichen Körper, einen Infrarotsensor und einen Ultraschallsensor dargestellt.
Als ein Abfühlverfahren zur Feststellung der Konzentration von Salz in Flüssigkeit wurden bislang eine elektrisch leitende Methode zum Einsetzen einer Elektrode in Flüssigkeit und Anlegen von Elektrizität an diese zur Messung eines Spannungsabfalls in dieser, eine dielektrische Methode durch Berührung der Flüssigkeit und einer Methode zur Einstrahlung einer Ultraschallwelle und Messung eines Grades ihrer Reflexion an einem Reflektor vorgeschlagen.
Gemäß den herkömmlichen Sensorvorrichtungen und -verfahren ist es unmöglich, Material oder Flüssigkeit, die in einem kleinen lichtundurchlässigen Behälter enthalten sind, ohne jede Berührung mit ihnen exakt festzustellen. Insbesondere bei der herkömmlichen elektrisch leitenden Methode und dielektrischen Methode sollte ein damit zu messender Artikel oder eine damit zu messende Substanz berührt werden, und Licht muß in den Behälter eindringen. Ferner ist es dem Ultraschallsensor unmöglich, einen kleinen Behälter zu messen. Die elektrisch leitende, die Licht- und Ultraschallmethode können keine Identifikation der Art eines Artikels durchführen.
Ein Hochfrequenz verwendender herkömmlicher Annäherungsschalter ist so ausgelegt, daß er Metall mit hoher magnetischer Permeabilität nachweist. Der Schalter verwendet eine selbstregelnde Oszillation, bei welcher ein Hochfrequenz-Schwingungsspule selbst ein Sensor ist und eine Impedanz der Spule variiert oder die Oszillation mit Annäherung eines Metalls an die Spule aufhört oder beginnt. Dieser Schalter kann jedoch keinen Artikel bzw. keine Substanz mit niedriger magnetischer Permeabilität nachweisen.
Die oben erwähnten herkömmlichen Sensoren können den menschlichen Körper im Stillstand nicht von einem Gepäckstück unterscheiden. Der Gewichtsensor identifiziert irrtümlich schweres Gepäck, mit dem der Sensor besetzt ist, als menschlichen Körper. Der Photosensor identifiziert irrtümlich die Anwesenheit eines Objekts, wann immer Licht durch irgendein Material unterbrochen wird. Der Ultraschallsensor identifiziert irrtümlich die Anwesenheit eines Objekts, wann immer die Ultraschallwelle durch irgendein Material reflektiert wird. Der Infrarotsensor hat den Nachteil, daß die Bewegung eines Objekts als die Anwesenheit des menschlichen Körpers beurteilt und der menschliche Körper im Stillstand ignoriert wird.
Ein in einem Stuhl installierter Sensor mit elektrostatischer Kapazität wird üblicherweise verwendet, ist aber auf ex terne Bedingungen empfindlich. Wenn sich ein Fuß vom Boden löst, wird der Sensor irrtümlicherweise betätigt. Ein nicht dem Boden erreichendes Kind, das auf dem Stuhl sitzt, kann nicht nachgewiesen werden.
Gemäß der herkömmlichen Flüssigkeitskonzentrationsnachweismethode ist es erforderlich, eine Elektrode oder einen Reflektor in die Flüssigkeit zu setzen, und der Nachweis kann ohne Berührung der Flüssigkeit nicht durchgeführt werden. Das Abwaschen der Elektrode und des Reflektors ist vor jeder Messung erforderlich und kostet ungünstigerweise Zeit bei vielen Prozessen, die in kontinuierlicher Messung erfolgen. Diese Methode hat auch den Nachteil, daß die Elektrode bzw. der Reflektor infolge von Salz korrodiert. Die eine Ultraschallwelle verwendende Methode kann eine Messung nur durchführen, wenn der Behälter einen Durchmesser hat, der größer als 5 cm ist.
Eine Sensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus US-A-4646066 bekannt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Hauptaufgabe diese Erfindung, eine verbesserte Sensorvorrichtung und ein verbessertes Verfahren zu schaffen, die in der Lage sind, exakt eine Artikelsubstanz, wie eine Flüssigkeit, Pulver usw., neben Metall und unabhängig davon, ob sie transparent oder lichtundurchlässig ist, und ferner die Art des Artikels abzufühlen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Sensorvorrichtung und -verfahren für den menschlichen Körper, die in der Lage sind, den menschlichen Körper im Stillstand exakt abzufühlen, indem der menschliche Körper von anderen Substanzen unterschieden wird, und eine Substanzsensorvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, andere Artikel als den menschlichen Körper abzufühlen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkeitskonzentrationssensorvorrichtung und -verfahren zum leichten Messen einer Flüssigkeitskonzentration ohne Berührung mit der Flüssigkeit bei kurzer Meßzeit zu schaffen, bei welchen man sich um die Korrosion der Elektroden keine Sorgen zu machen braucht.
Gemäß der Erfindung wird eine Sensorvorrichtung vorgesehen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Wenn die Sensorvorrichtung ferner einen mit einer Spule bewickelten ringförmigen Kern verwendet, ist die magnetische Flußdichte in Luft zwischen Enden des Kerns so hoch, daß die Nachweisempfindlichkeit für eine Substanz und ein Material hoch sein kann. Wenn die Sensorvorrichtung ferner einen Transformator zur Speisung eines Schwingkreises mit elektrische Energie verwendet, kann der Imaginärteil einer Impedanz des Sensors 0 sein und der Realteil auf einen bestimmten Wert eingestellt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Figuren deutlicher werden, von welchen
Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagrammm einer Substanzsensorvorrichtung als erste Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 2 eine Schaltung eines Sensors, die in der Sensorvorrichtung der Fig. 1 verwendet wird ist,
Fig. 3 eine um einen ringförmigen Kern gewickelte Nachweisspule zeigt,
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung in einer Abwandlung der Sensorvorrichtung der Fig. 1 ist,
Fig. 5 ein Graph ist, der eine Reflexionscharakteristik des Sensors der Fig. 1 zeigt,
Fig. 6 die Sensorvorrichtung der Fig. 1 einen Flüssigkeitsspiegel in einem Behälter ohne Deckel abfühlend zeigt,
Fig. 7 die Sensorvorrichtung der Fig. 1 einen Flüssigkeitsspiegel in einem Behälter mit Deckel abfühlend zeigt,
Fig. 8 die Sensorvorrichtung der Fig. 1 einen Flüssigkeitsspiegel in einem lichtundurchlässigen Behälter abfühlend zeigt,
Fig. 9 die Sensorvorrichtung der Fig. 1 einen Flüssigkeitsspiegel in einem Behälter mit einem Etikett abfühlend zeigt,
Fig. 10 die Sensorvorrichtung horizontale Flüssigkeitsgrenzen einer öligen Lösung und einer wässerigen Lösung abfühlend zeigt,
Fig. 11 die Sensorvorrichtung Flüssigkeitsgrenzen, wo eine Mischschicht zwischen einer öligen Lösung und einer wässrigen Lösung vorliegt, abfühlend zeigt,
Fig. 12 die Sensorvorrichtung eine horizontale Flüssigkeitsgrenze zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper abfühlend zeigt,
Fig. 13 die Sensorvorrichtung eine deformierte Flüssigkeitsgrenze zwischen einer Flüssigkeit und einem Festkörper abfühlend zeigt,
Fig. 14, die Sensorvorrichtung ein Flüssigkeitsniveau mit Blasen abfühlend zeigt,
Fig. 15(a) ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einer Ausgabe der Sensorvorrichtung und einem Abstand einer gemessenen Probe vom Sensor der Sensorvorrichtung zeigt, und Fig. 15(b) die Sensorvorrichtung eine Meßprobe abfühlend zeigt,
Fig. 16 ein Schaltbild einer Flüssigkeitskonzentrationssensorvorrichtung als einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
Fig. 17 ein Graph einer Nachweisspannungscharakteristik der Sensorvorrichtung der Fig. 16 zu einer Flüssigkeitskonzentration ist,
Fig. 18 ein Schaltbild einer Flüssigkeitskonzentrationssensorvorrichtung als einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 19 ein Graph ist, der eine Nachweisspannung an unterschiedlichen Temperaturen in der Sensorvorrichtung der Fig. 18 zeigt,
Fig. 20 ein Schaltbild einer Flüssigkeitskonzentrationssensorvorrichtung als einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 21 ein Schaltbild einer Flüssigkeitskonzentrationssensorvorrichtung als einer fünften Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 22 ein Schaltbild einer Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper als einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 23 eine in der Sensorvorrichtung der Fig. 22 verwendete Nachweisspule ist,
Fig. 24 eine Abwandlung der Nachweisspule der Fig. 23 ist,
Fig. 25, eine weitere Nachweisspule ist, welche in der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper der Fig. 22 verwendet werden kann,
Fig. 26 einen Sitz zeigt, in welchem die Nachweisvorrichtung für den menschlichen Körper installiert ist,
Fig. 27 ein Kissen zeigt, das mit der Sensorvorrichtung versehen ist,
Fig. 28 ein Schaltbild der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper als einer siebten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 29 ein Graph ist, der die Beziehung zwischen einer Frequenz eines Oszillators der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper und einer reflektierten Welle, wenn der Sitz frei oder von einem Kind, einem Erwachsenen oder Gepäck besetzt ist, zeigt,
Fig. 30 eine Charakteristik von reflektierter Welle über der Frequenz zur Erläuterung eines Nachweisvorgangs für menschlichen Körper durch die Sensorvorrichtung ist,
Fig. 31 ein Flußdiagramm ist, das einen Vorgang des Besetzungsnachweises mit der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper zeigt,
Fig. 32 ein Schaltbild der Sensorvorrichtung für den men schlichen Körper als einer achten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 33 ein Schaltbild einer Pulversensorvorrichtung als einer neunten Ausführungsform dieser Erfindung ist,
Fig. 34 die Pulversensorvorrichtung der Fig. 33 Weizenmehl nachweisend zeigt,
Fig. 35 die Beziehung zwischen der Lage eines Sensors der raffinierten Zucker abfühlenden Pulversensorvorrichtung in einem Behälter und einer Ausgangsspannung der Sensorvorrichtung zeigt,
Fig. 36 die Beziehung zwischen der Lage des Kakao in einem Behälter abfühlenden Sensors und einer Ausgangsspannung der Sensorvorrichtung zeigt,
Fig. 37 die Beziehung zwischen der Lage des Kaffeepulver in einem Behälter abfühlenden Sensors und einer Ausgangsspannung der Sensorvorrichtung zeigt,
Fig. 38 die Beziehung zwischen der Lage des entrahmte Milch in einem Behälter abfühlenden Sensors und einer Ausgangsspannung der Sensorvorrichtung zeigt,
Fig. 39 eine Seitenansicht eines den Sensor sich längs eines Rohres mit kleinem Durchmesser auf und ab bewegenden Mechanismus ist,
Fig. 40 eine vergrößerte Seitenansicht eines Sensorabschnitts des Mechanismus gesehen in Sichtrichtung ist,
Fig. 41 eine vergrößerte Seitenansicht eines Sensorabschnitts des Mechanismus gesehen in einer anderen Sichtrichtung ist, und
Fig. 42 eine vergrößerte Draufsicht des Sensorabschnitts des Mechanismus gesehen von oben ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bezugnehmend nun auf Fig. 1 ist dort ein Schaltbild einer Substanzensensorvorrichtung als einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welche einen Sensor 1, einen Oszillator 2 zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals über einen Übertragungsweg 4 auf den Sensor 1 und einen Reflexionswellensensor 3 als Detektor zum Nachweis eines Reflexionssignals des auf den Sensor 1 gegebenen Hochfrequenzsignals, welches durch den Sensor 1 reflektiert wird und zum Oszillator 2 zurückkehrt. Der Reflexionswellensensor 3 als ein Beispiel eines Detektors und der Sensor 1 bestehen aus passiven Elementen und verwenden keinerlei aktive Elemente.
Der Sensor 1 enthält eine Nachweisspule 11, einen Resonanzkondensator 12, der einen Reihenschwingkreis mit der Nachweisspule 11 bildet, und einem Realzahltransformator 13, bei welchem eine Primärwicklung desselben mit dem Schwingkreis an einer Eingangsseite und eine Sekundärwicklung desselben mit einem Hochfrequenzeingang 14 und Masse, wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, verbunden ist. Der Schwingkreis kann, falls gewünscht, auch einen Parallelschwingkreis verwenden.
Der Oszillator 2 ist eine Oszillatorschaltung, die einen Kristalloszillator verwendet. Falls gewünscht, kann die Oszillatorschaltung auch eine andere herkömmliche Hochfrequenzoszillatorschaltung, wie ein LC-Oszillator oder einen Phasenregelkreis (PLL) sein. Der Oszillator 2 erzeugt eine Ausgangsfrequenz von 40,68 MHz, die Ausgangsfrequenz kann aber so eingerichtet sein, daß sie zwischen 10 MHz und 300 MHz liegt, geeignet für den Nachweis eines nichtmagnetischen Materials und die Vorrichtung auf kleineren Abmessungen haltend, liegt. Der Reflexionswellensensor oder -detektor 3 enthält einen gerichteten Koppler und stellt die Reflexionswelle vom Sensor 1 als Leistung zur Umwandlung in eine Spannung fest. Der Sensor 3 enhält einen mit dem Übertragungsweg 4 verbundenen Kondensator 31 sowie einen Parallelkreis bestehend aus einem Widerstand 32 und einer mit dem Übertragungsweg 4 M-gekoppelten Spule 33. Die Parallelkreis ist an seinem einen Ende mit dem Kondensator 31 und an seinem anderen Ende mit einer Anode einer Diode 34 verbunden. Eine Kathode der Diode 34 ist über einen Kondensator 35 geerdet und erzeugt außen einen analoges Ausgangssignal, welches eine in eine Spannung umgewandelte reflektierte Welle darstellt. Der Reflexionswellensensor 3 wendet eine CM-Kopplung, kann aber auch eine MM-Kopplung oder einen anderen Sensor, falls gewünscht, verwenden.
Bei dieser Substanzsensorvorrichtung wird das Hochfrequenzsignal über den Übertragungsweg 4 vom Oszillator 2 auf den Sensor 1 gegeben. Unter der Annahme, daß eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises so eingestellt ist, daß sie mit der Frequenz des Oszillators 2 zusammenfällt und daß eine Impedanz (ein Imaginärteil ist 0 und ein Realteil ist 50 Ohm) des Sensors 1 und an die Impedanz des Übertragungswegs 4 angepaßt sind, wenn die Umgebung bei Abwesenheit einer nachgewiesenen Substanz (oder Materials) Luft ist, ist die Reflexion eines übertragenen Hochfrequenzsignals nahezu 0, und die Ausgabe des Reflexionswellensensors 3 ist 0, wodurch die Abwesenheit der nachzuweisenden Substanz nachgewiesen wird.
Wenn eine Substanz oder ein Objekt vorliegt, wird der Sensor 1 durch den Unterschied der magnetischen Permeabilität von Luft und der Substanz magnetisch beeinflußt, und die Impedanz ändert sich. Da die Impedanz des Sensors 1 stark gegenüber der angepaßten Impedanz verschoben wird, wird das Reflexionssignal groß und durch den Detektor 3 nachgewiesen, der ein Analogsignal erzeugt, daß der Änderung der Impedanz, nämlich der reflektierten Welle, entspricht, so daß die Anwesenheit der Substanz nachgewiesen wird. Die Anwesenheit oder Abwesenheit einer Substanz kann also nachgewiesen werden. Zum Nachweis der Anwesenheit oder Abwesenheit einer Substanz oder eines Materials wird die reflektierte Welle durch den Detektor 3 nachgewiesen, es braucht aber nur der Permeabilitätsunterschied einer Substanz oder eines Materials nachgewiesen zu werden. Die Auslegung kann so sein, daß der numerische Wert des Imaginärteils der Impedanz des Resonanzkreises auf einen Wert um null herum bei Resonanz im Sensor 1 eingestellt wird, und ein Analogsignal, das der Zunahme des numerischen Werts des Imaginärteils der Impedanz entspricht, vom Detektor 3 bei Nachweis der Substanz oder des Materials erzeugt wird.
Wenn die reflektierte Welle der Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform zur Beurteilung eines Materials oder einer Flüssigkeit mit niedriger magnetischer Permeabilität verwendet wird, ist die Änderung der reflektierten Welle selbst extrem klein und auch die Änderung der Ausgangsspannung, die der reflektierten Welle entspricht, wird klein, wenn sie vom Minimumpunkt der reflektierten Welle, wie bei einem Punkt "a" der Fig. 5, die eine Reflexionscharakteristik des Sensors der Fig. 1 zeigt, aus ausgemessen wird. Dementsprechend wird, wenn die Messung von einem Reflexionspunkt (beispielsweise einem Punkt "b" zu der Fig. 5) aus, der die größte Steigung innerhalb von 80% der Kurve der Fig. 5 liefert, in Gang gesetzt wird, die Änderung der Ausgangsspannung mit der reflektierten Welle groß und die Empfindlichkeit des Sensors hoch. In diesem Fall ist die Schwingungsfrequenz des Oszillators 2 so eingerichtet, daß sie von der Resonanzfrequenz des Sensors 1 zu einer Frequenz an einem Punkt mit starker Steigung der Resonanzcharakteristik verschoben ist.
Die Nachweisspule 11 des Sensors 1 verwendet keine Luftkernsspule, sondern eine Spule, die um einen C-förmigen Kern, wie in Fig. 3 gezeigt, gewickelt ist, der durch Ausschneiden eines Abschnitts 15a aus einem ringförmigen Kern 15 gebildet ist, so daß magnetische Flüsse konzentriert und eine Reduktion des magnetischen Streufeldes und eine Zunahme der Empfindlichkeit erzielt werden können. Durch Änderung der Form oder der Größe des Ausschnittabschnitts 15a können verschiedene Materialien und Flüssigkeiten exakt nachgewiesen werden.
Als eine Abwandlung der Sensorvorrichtung der ersten Ausführungsform, bei welcher eine reflektierte Leistung festgestellt und die Anwesenheit oder Abwesenheit oder die Art einer Substanz beruhend auf der Größe der reflektierten Leistung nachgewiesen wird, zeigt Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Sensorvorrichtung. Der Detektor 3 stellt wenigstens eine der Größen Pha se, Spannung und Strom einer reflektierten Welle auf dem Übertragungsweg 4 zwischen Sensor 1 und Oszillator 2 fest und erzeugt ein Signal, welches wie umgewandelt in eine reflektierte Leistung verarbeitet werden kann. Durch Anbringen des Oszillators 2 und des Detektors 3 auf der gleichen Platte, Verbinden des Sensors 1 mit dem Detektor 3 durch ein Kabel und Anordnen des Sensors 1 getrennt und unabhängig vom Oszillator 2 und Detektor 3 wird der Freiheitsgrad hinsichtlich der Anbringungsposition des Sensors 1 erhöht und kann der Sensor 1 leicht ersetzt werden.
Nachfolgend werden nun Anwendungen der Sensorvorrichtung der Fig. 1 beschrieben. Die Fig. 6 bis 14 zeigen auf der linken und rechten Seite eine schematische Ansicht der Sensorvorrichtung der Fig. 1 bzw. die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal V des Reflexionswellensensors 3 und der Position P des Sensors 1, wobei entsprechende Positionen in doppelpunktierten Linien gezeigt sind. Zum Nachweis der Anwesenheit oder Abwesenheit von Flüssigkeit wird ein Spannungswert an einem Punkt einer Kurve rechts, die die doppelpunktierte Linie kreuzt, als Schwellenwert zur Niveaudiskriminierung eingerichtet. Dieser Schwellenwert wird an Niveaudiskriminiermitteln eines Prozessors (in Fig. 1 nicht gezeigt) eingestellt, der die Ausgabe des Reflexionswellensensors 3 der Fig. 1 erhält. Zum Nachweis einer Grenze wird die Ausgabe des Reflexionswellensensors 3 durch eine CPU oder dergleichen durch Abtastung gelesen, wobei ein Zeitpunkt, zu dem die Ausgabe eine starke Änderung durchmacht, festgestellt wird.
Flüssigkeit, Öl und Feststoff in den Fig. 6 bis 13 sind Wasser, Olivenöl und Radiergummi, und Flüssigkeit und Blasen der Fig. 14 sind Flüssigkeit, Waschmittel und seine Blasen. Fig. 6 zeigt den Nachweis eines Flüssigkeitsniveaus in einem Behälter 5 ohne Deckel. Beim Absenken des Sensors 1 längs einer Außenseite des Behälters 5 von oben hat die Ausgangsspannung V des Reflexionswellensensors 3 über einen Verstärker 6 einen Verlauf, wie er durch eine Kurve auf der rechten Seite der Fig. 6 wie dergegeben ist. Der Punkt, wo sich die Ausgangsspannung stark ändert, entspricht einer Grenzfläche zwischen Luft und Flüssigkeit, nämlich einem Flüssigkeitsspiegel.
Fig. 7 zeigt den Nachweis eines Flüssigkeitsspiegels innerhalb eines mit einem Deckel 7 verschlossenen Behälters 5. Wenn der Behälter nicht transparent ist, ist die Innenseite des Behälters von außen nicht sichtbar, so daß der Flüssigkeitsspiegel mit dem menschlichen Auge nicht aufgefunden werden kann. Wie in Fig. 7 gezeigt, kann jedoch das Flüssigkeitsniveau im lichtundurchlässigen Behälter mit demselben Vorgang wie demjenigen der Fig. 6 festgestellt werden.
Fig. 8 zeigt den Nachweis eines Flüssigkeitsspiegels in einem lichtundurchlässigen Behälter. Wenn der Sensor 1 von oben nach unten längs einer außenseitigen Wand des Behälters abgesenkt wird, wird die Position des Sensors 1, wo sich die Ausgangsspannung V des Verstärkers 6 plötzlich ändert, als Flüssigkeitsniveau aufgefunden.
Fig. 9 zeigt den Nachweis eines Flüssigkeitsspiegels in einem Behälter 5 mit einem Etikett 8. Das Etikett 8 ist an eine Seitenwand des Behälters 5 geklebt und die Sicht auf den Flüssigkeitsspiegel ist durch das Etikett 8 versperrt. Wenn der Sensor 1 von oben nach unten längs des Etiketts, wie in Fig. 9 gezeigt, abgesenkt wird, ist jedoch die Ausgangsspannung V des Verstärkers 6 durch eine Kurve der Fig. 9 auf der rechten Seite wiedergegeben, und die Position des Sensors 1, wo sich die Ausgabe plötzlich ändert, in der Mitte wird als Flüssigkeitsniveau aufgefunden.
Fig. 10 zeigt den Nachweis von Flüssigkeitsgrenzen zwischen einer öligen Lösung und einer wässerigen Lösung, wo die Flüssigkeitsgrenzen eben und horizontal sind. Wenn der Sensor 1 von der Oberseite des Behälters 5 nach unten abgesenkt wird, ist die Ausgangsspannung V des Verstärkers 6 durch eine Kurve der Fig. 10 wiedergegeben, bei welcher eine obere starke Steigung der Ausgangsspannung der Grenze zwischen Luft und der öligen Lösung und eine untere starke Steigung der Ausgangsspannung der Grenze zwischen der öligen Lösung und der wässerigen Lösung entspricht. Wenn eine Mischschicht zwischen einer öligen Lösung und einer wässerigen Lösung, wie in Fig. 11 gezeigt, vorhanden ist, erscheinen drei Wendepunkte auf der Kurve der Ausgangsspannung, die rechts in Fig. 11 gezeigt ist, und entsprechen den drei Grenzen zwischen Luft und öliger Lösung, öliger Lösung und Mischschicht sowie Mischschicht und wässeriger Lösung. Der Verlauf der Ausgangsspannung gestattet einen Nachweis der Grenzen.
Die Fig. 12 und 13 zeigen den Nachweis von Flüssigkeitsgrenzen zwischen Flüssigkeit und Feststoff. Die Grenze der Fig. 12 ist horizontal und die Grenze der Fig. 13 ist deformiert. In beiden Fällen werden die Flüssigkeitsgrenzen durch Wendepunkte einer Ausgangsspannung festgestellt, die vom Reflexionswellensensor 3 über den Verstärker 6 erzeugt wird.
Fig. 14 zeigt den Nachweis eines Flüssigkeitsniveaus mit Blasen. Wenn der Sensor 1 von oben nach unten abgesenkt wird, liefert eine Ausgansspannung V ein Paar von Wendepunkten in ihrer Ausgangskurve, die den Grenzen Luft - Blasen und Blasen - Flüssigkeit entsprechen.
Die Fig. 15(a) und (b) zeigen einen Nachweis einer Entfernung L zwischen dem Sensor 1 und einer zu messenden Probe 9. Wenn sich die Probe 9 dem Sensor 1 von einem entfernten Ort aus nähert, wie in Fig. 15(b) gezeigt, steigt die Ausgangsspannung des Verstärkers, wie in Fig. 15(a) gezeigt, an. Durch Korrekturlesen einer Kurve eines Abstandes L und einer Ausgangsspannung V vorab kann der Abstand zwischen dem Sensor 1 und der Probe 9 festgestellt werden.
Ein Mechanismus zur Bewegung des Sensors 1 nach oben und unten in den Fig. 6 bis 14 wird später in Verbindung mit den Fig. 34 bis 42 beschrieben.
In Fig. 16 ist ein Schaltungsdiagramm einer Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung als einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt. Die gleiche Komponenten der Fig. 16 wie diejenigen der Sensorvorrichtung der Fig. 1 werden durch die gleichen Bezugszeichen dargestellt. Die Konzentrationssensorvorrichtung dieser zweiten Ausführungsform enthält Sensor 1, Oszillator 2 zur Übertragung eines Hochfrequenzsignals über einen Übertragungsweg 4 auf den Sensor 1, Reflexionswellensensor 3 als Detektor zum Nachweis eines Reflexionssignals des auf den Sensor 1 gegebenen Hochfrequenzsignals, welches durch den Sensor 1 reflektiert wird und zum Oszillator 2 zurückgekehrt, einen Signalwandler 50 zur Umwandlung des nachgewiesenen Reflexionssignals in einen Konzentrationssignal, und eine Anzeige 60 zur Anzeige der Konzentration. Der Signalwandler 50 als Prozessor enthält einen A/D-Wandler 51 und eine CPU 52 und erhält ein Analogsignal vom Reflexionswellensensor 3, das in ein Konzentrationssignal (beispielsweise %) zur Erzeugung als Digitalsignal umzuwandeln ist.
Zur Messung einer Konzentration einer Salzlösung mit der Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung wird der Sensor 1 in der Nähe eines Salzlösung 101 enthaltenden Behälters 102 angeordnet.
Bei der Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung gibt der Oszillator 2 über den Übertragungsweg 4 ein Hochfrequenzsignal auf den Sensor 1. Unter der Annahme, daß eine Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung so eingestellt wird, daß sie mit der Frequenz des Oszillators 2 zusammenfällt und an eine Impedanz des Sensors 1 und eine Impedanz des Übertragungswegs 4 angepaßt sind, ist die Reflexion eines gesendeten Hochfrequenzsignals nahezu null und die Ausgabe des Reflexionswellensensors 3 null, wenn die Umgebung bei Abwesenheit einer nachgewiesenen Substanz Luft ist. Da der Behälter 102 der Fig. 6 eine Salzlösung 101 enthält, wird die Impedanz des Sensors 1 gegenüber der angepaßten Impedanz durch einen Unterschied in der magnetischen Permeabilität, die der Konzentration der Lösung 101 entspricht, verschoben, wodurch ein Reflexionssignal mit einem Wert, der zu der Konzentration der Salzlösung in Beziehung steht, erzeugt wird.
Das Reflexionssignal wird durch den Signalwandler 50 zur Anzeige durch die Anzeige 60 in ein Konzentrationssignal umgewandelt.
In Fig. 17 ist die Beziehung zwischen einer mit der Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung gemessenen Konzentration der Salzlösung und einer Nachweisspannung wiedergegeben. Die in Fig. 17 gezeigte Charakteristik wird vorab im Signalwandler 50 gespeichert, so daß eine Salzlösungskonzentration (Log %) anhand der Nachweisspannung festgestellt wird.
Fig. 18 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung als einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung. Diese Sensorvorrichtung enthält zusätzlich zur Schaltung der Fig. 16 ferner einen Temperatursensor 70. Der Temperatursensor 70 erzeugt ein Temperatursignal, das die mit dem Sensor 70 festgestellte Temperatur einer Salzlösung zur Aufgabe auf den Signalwandler 50 darstellt, um damit das Konzentrationssignal temperaturzukompensieren. Die Permeabilität der Salzlösung ist der Temperatur unterworfen und bewirkt einen auf die Umgebungstemperatur zurückgehenden Meßfehler. Dementsprechend ist die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform mit einer Temperaturkompensation versehen, wodurch die Genauigkeit des Konzentrationsnachweises verbessert wird. Fig. 19 ist ein Graph, der Meßergebnisse der Sensorvorrichtung zur Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Position des Sensors an einem Glasreagenzröchen-Behälter bei den Temperaturen 4ºC, 25ºC (Raumtemperatur) und 50ºC zeigt.
Fig. 20 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Flüssigkeitskonzentrations-Sensorvorrichtung als einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung. Diese Sensorvorrichtung enthält zusätzlich zur Schaltung der Fig. 16 ferner eine Detektor 80 und eine Gegenkopplungsschaltung 90. Der Detektor 80 enthält einen Kondensator 81, eine Diode 82, einen Kondensator 83 und eine Spule 84. Der Kondensator 81 ist an seinem einen Ende mit einem Anschluß 14 des Detektors und an seinem anderen Ende mit einer Anode der Diode 82 verbunden. Eine Kathode der Diode 82 ist über den Kon densator 83 geerdet und mit dem einen Ende der Spule 84 verbunden. Die Gegenkopplungsschaltung 90 enthält Kondensatoren 91 und 92, einen Widerstand 93, einen Transistor 94 und eine Spule 95. Der Kodensator 91, der Widerstand 93 und der Kondensator 92 sind in Reihe geschaltet und zwischen den Oszillator 2 und dem Reflexionswellensensor 3 zwischengelegt. Kollektor und Basis des Transistors 94 sind über den Widerstand 93 angeschlossen, wobei die Basis des Transistors mit dem anderen Ende der Spule 84 verbunden ist. Die Spule 95 ist zwischen einer Spannungsversorgung und dem Kollektor des Transistors 94 zwischengelegt.
Wenn ein schwaches Signal, etwa ein Konzentrationsnachweis zu einer Salzlösung, verarbeitet werden muß, ist die Stabilität des Detektors wichtig. Die Temperaturcharakteristik von in Benutzung befindlichen Komponenten beeinflußt die Genauigkeit des Detektors, so daß Stabilisierung wichtig ist. Zu diesem Zweck wird ein nachzuweisendes Ausgangssignal des Detektors 80 herausgezogen und durch eine Gegenkopplungsschaltung 90 zur Stabilisierung der Ausgabe zurückgeführt. Der Detektor 80 wandelt die dem Sensor 1 zugeführte Hochfrequenzleistung in ein Gleichspannungssignal um. Die Gegenkopplungsschaltung 90 empfängt das Signal vom Detektor 80. Die Schaltung 90 vermindert ihr Verstärkungsverhältnis, wenn das empfangene Signal hoch ist, erhöht aber das Verhältnis, wenn das Signal niedrig ist, wodurch die dem Sensor 1 zugeführte Leistung konstant gehalten werden kann. Die Gegenkopplungsschaltung 90 kann, falls gewünscht, durch eine Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung (AGC) ersetzt sein. Der Transistor 94 kann durch einen FET oder eine PIN-Diode ersetzt sein.
Fig. 22 zeigt ein Schaltungsdiagrammm einer Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper als einer sechsten Ausführungsform dieser Erfindung. Die Sensorvorrichtung enthält einen Sensor 1, einen Oszillator 2, der über einen Übertragungsweg 4 ein Hochfrequenzsignal an den Sensor 1 sendet, einen Reflexionswellensensor 3 zum Nachweis eines Reflexionssignals, welches vom Sensor 1 reflektiert wird und zum Oszillator 2 zurückkehrt, einen Controller 50 zur Verarbeitung des nachgewiesenen Reflexionssignals. Der Grundaufbau ist der gleiche wie derjenige der oben erwähnten Sensorvorrichtungen.
Der Sensor 1 enthält eine Nachweisspule 11, einen Resonanzkondensator 12, der mit der Spule 11 einen Reihenschwingkreis bildet, und einen Realteiltransformator 13, bei welchem eine Primärwicklung mit dem Schwingkreis und eine Sekundärwicklung mit einem Hochfrequenzeingang 14 und Masse GND verbunden ist. Der Reihenschwingkreis kann, falls gewünscht, durch einen Parallelschwingkreis ersetzt sein.
Die Nachweisspule 11 verwendet eine kreisförmige Luftspule mit einer Windung mit einem Durchmesser von 200 mm entsprechend einem gemessenen Teil des menschlichen Körpers, dem Gesäß. Der Sensor 1 mit Ausnahme der Spule 11, der Oszillator 2, der Reflexionswellensensor 3 und der Controller 50 sind in einem Gehäuse 40 aufgenommen. Falls gewünscht, kann die Nachweisspule 11 so modifiziert sein, daß sie eine Spule 11a mit einem Durchmesser 200 mm und eine Spule 11b mit einem Durchmesser von 100 mm aufweist, die ausgewählt verwendet werden oder in Reihe geschaltet sind, wie in Fig. 24 gezeigt.
Wie in Fig. 25 als weitere Abwandlung der Nachweisspule gezeigt, kann die Nachweisspule 11 um einen Magnetkern 18 mit E- förmigem Querschnitt gewickelt sein, so daß ein Magnetfeld in nur einer Richtung, die unter rechtem Winkel zu einer Wand der Spule 11 liegt, erzeugt werden kann. Falls gewünscht, kann die Anzahl der Windungen und der Durchmesser der Spule 11 nach Maßgabe des nachzuweisenden Objekts abgeändert werden. Die leitfähigen Drähte der Nachweisspule 11 verwenden ein bei einem Hochfrequenzsignal gut leitendes Metall, wie etwa Au (Gold), Ag (Silber), Cu (Kupfer), Al (Aluminium) usw. Durch Aufbauen der Nachweisspule 11 mit einem solchen gut leitenden Metall wird die Empfindlichkeit verbessert und der Hochfrequenz-Leistungsverlust vermindert.
Der Oszillator 2 verwendet einen Oszillator vom LC-Typ. Die Oszillationsschaltung selbst kann eine andere herkömmliche Hochfrequenz-Oszillationsschaltung, etwa ein Kristalloszillator oder PLL sein. Der Oszillator 2 verwendet einen einstellbaren Kondensator 41. Durch automatisches Ändern der Kapazität des Kondensators 41 wird die Frequenz des vom Oszillator 2 erzeugten Hochfrequenzsignals, beispielsweise, zwischen 30 MHz und 50 MHz abgetastet. Ein Abtastmechanismus kann im Oszillator selbst vorgesehen sein oder es kann die Frequenz gemäß einem vom Controller 50 erzeugtem Befehl geändert werden.
Der Reflexionswellensensor 3 ist die gleiche Komponente wie diejenige der Fig. 1 und 16. Der Controller 50 enthält einen A/D-Wandler 51 und eine CPU 52 und wandelt ein Analogsignal des Reflexionswellensensors 3 in ein Digitalsignal für einen logischen Prozeß im Hinblick auf das Reflexionsniveau und die Frequenz zur Durchführung eines Beurteilungs-Feststellungsprozesses hinsichtlich Unbesetztheit, Gepäck oder Besetzung durch den menschlichen Körper um.
Die Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper gemäß dieser Ausführungsform ist in einem Sitzteil eines Sitzes (in einem Kraftfahrzeug, in einem Zug, in einem Theater usw.) 61, wie in Fig. 26 gezeigt, eingebettet, oder in einem Sitzkissen 62, wie in Fig. 27 gezeigt. Die Vorrichtung kann auch in anderen Teilen eines Sitzes, wie einer Rückenstütze des Sitzes eingebettet sein.
Der Oszillator 2 erzeugt ein Hochfrequenzsignal zur Aufgabe auf den Sensor 1 über den Übertragungsweg 4. Das Hochfrequenzsignal des Oszillators 2 wird zwischen 30 MHz und 50 MHz durchgefahren. Das dem Sensor 1 zugeführte Hochfrequenzsignal wird durch den Sensor 1 reflektiert. Die Impedanz des Sensors 1 ändert sich mit einer in der Nähe der Nachweisspule 11 positionierten Substanz infolge des Unterschieds der magnetischen Permeabilität der Substanz und verändert das Niveau der reflektierten Welle, die durch die externe Umgebung in der Nähe der Nach weisspule erzeugt wird. Die reflektierte Welle wird durch den Reflexionswellendetektor 3 nachgewiesen, und der Controller 50 weist Unbesetztheit, Gepäck oder den menschlichen Körper im Hinblick auf Reflexionsniveau und Frequenz nach.
Fig. 28 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Nachweisvorrichtung für den menschlichen Körper als siebter Ausführungsform dieser Erfindung, bei welcher ein Sensor 1 und ein Reflexionswellensensor die gleichen wie diejenigen der Fig. 22 sind. Ein Oszillator 2 verwendet einen PLL-Oszillator 49, der sich vom Oszillator 2 der Fig. 22 unterscheidet, und ändert die Hochrequenz gemäß einem Befehl von der CPU 52 des Controllers 50.
Wenn die Nachweisvorrichtung für den menschlichen Körper der Fig. 28 in dem Sitz 61 der Fig. 26 oder dem Kissen 62 der Fig. 27 angebracht ist und der Oszillator 2 aktiviert wird, ist die Charakteristik der reflektierten Welle, wenn der Sitz frei, von einem Kind besetzt, von einem Erwachsenen besetzt und mit Gepäck belegt ist, durch Kurven "a", "b", "c" und "d" der Fig. 29 wiedergegeben. Bei der Kurve "a" für Unbesetztheit und der Kurve "d" für Gepäck ist die reflektierte Welle bei einer Frequenz sehr klein und der Gütefaktor "Q" hoch. Bei den Kurven "b" und "c" für Besetzung mit dem menschlichen Körper wird die reflektierte Welle bei einer Frequenz klein, aber der Grad der Änderung der reflektierten Welle ist klein, und der Faktor Q ist klein. Ein solcher Unterschied der Frequenzcharakteristik der reflektierten Welle wird durch den Permeabilitätsunterschied von Unbesetztheit (Luft), Gepäck und menschlichem Körper bewirkt.
Fig. 30 enthält den Graph der Fig. 29 und eine Referenzangabe. Wenn das Niveau der vom Reflexionswellensensor 3 festgestellten reflektierten Welle größer als ein Referenzwert SR über einen vollständigen Frequenzbereich, wie in Fig. 30 gezeigt, ist, bedeutet dies, daß der menschliche Körper den Sitz einnimmt. Wenn es eine Frequenz gibt, wo das Niveau der reflektierten Welle kleiner als der Referenzwert SR ist, dann bedeutet dies, daß der Sitz frei oder mit Gepäck belegt ist. Die CPU 52 des Controllers 50 beurteilt den menschlichen Körper, Unbesetztheit und Gepäck. Die gleiche Beurteilung wird in der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper der Fig. 22 ebenfalls ausgeführt.
Ein Nachweisvorgang der Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper der Fig. 28 wird nachfolgend in Verbindung mit dem Flußdiagramm der Fig. 31 beschrieben.
In der CPU 52 wird ein Frequenzeinstellzähler auf "0" eingestellt (Schritt ST1). Der Zählwert des Frequenzeinstellzählers wird dann am PLL-Oszillator 49 des Oszillators 2 eingestellt (Schritt ST2). In diesem Zustand oszilliert der Oszillator 2 ein Hochfrequenzsignal einer Frequenz, die dem eingestellten Wert entspricht. Das Hochfrequenzsignal wird auf den Sensor 1 über Übertragungsweg 4 gegeben, und es wird durch den Reflexionswellensensor 3 ein Reflexionssignal gemäß einem externen Zusand festgestellt. Die CPU 52 liest den A/D-gewandelten Wert der Reflexionswelle über den A/D-Wandler 51 (Schritt ST3).
Es wird abgefragt, ob der gelesene A/D-Wert der reflektierten Welle ein Referenzwert (75) oder größer ist (Schritt ST4). Wenn der gelesene A/D-Wert der Referenzwert oder größer ist, wird der Frequenzeinstellzähler um "1" erhöht (Schritt ST5), und es wird abgefragt, ob der Zählwert des Frequenzeinstellzählers "16" erreicht (Schritt ST6). Zunächst erreicht der Zählwert "16" nicht, und die Folge kehrt zum Schritt ST2 zurück, wo der um "1" erhöhte Zählwert des Frequenzeinstellzählers am PLL-Oszillator 49 eingestellt wird, und der Oszillator 2 oszilliert mit einer Frequenz, die dem neuen Zählwert entspricht. Die Folge vom Schritt ST2 zum Schritt ST6 wird in gleicher Weise wiederholt.
Wenn der A/D-Wert kleiner als der Referenzwert (75) ist, bevor der Zählwert des Frequenzeinstellzählers 16 wird, wird eine NEIN-Antwort im Schritt ST4 erzeugt. Wie in Fig. 30 gezeigt, bedeutet dies, daß das Niveau des reflektierten Werts kleiner als der Referenzwert SR bei einer Frequenz ist und der Faktor Q hoch ist. Dementsprechend wird beurteilt, daß der Sitz frei oder mit Gepäck belegt ist und daß kein menschlicher Körper vorhanden ist (Schritt ST7). Wenn der Zählwert des Frequenzeinstellzählers "16" wird, ist ein einmaliges Abtasten der Frequenzänderung abgeschlossen. Wenn dann keine reflektierte Welle mit einem A/D-Wert, der kleiner als der Referenzwert ist, vorhanden ist, bedeutet dies in Fig. 30, daß das Niveau der reflektierten Welle der Referenzwert SR oder größer über den Abtastfrequenzbereich ist. Dementsprechend wird, wenn der Zählwert des Frequenzeinstellzählers im Schritt ST6 "16" wird, eine JA- Antwort erzeugt und das Vorhandensein des menschlichen Körpers beurteilt (Schritt ST8).
Fig. 32 zeigt ein Schaltbild einer Sensorvorrichtung für den menschlichen Körper als achter Ausführungsform dieser Erfindung, welche ein zusätzlich zwischen dem Oszillator 2 und dem Reflexionswellensensor 3 der Fig. 2 zwischengelegtes Dämpfungsglied 10 enthält. Das Dämpfungsglied 10 verwendet eine Schaltung vom π-Typ, bestehend aus Widerständen 104, 105 und 106, kann aber auch eine Schaltung eines anderen Typs verwenden.
Wenn die Impedanz des Sensors 1 sich mit einer zu messenden Substanz stark ändert, nimmt das Signal des Sensors 3 zu. Zu diesem Zeitpunkt sind die Lastimpedanz des Oszillators 2 und die Eingangsimpedanz des Sensors 1 nicht angepaßt und das Arbeiten des Oszillators 2 instabil. Um dieses instabile Arbeiten zu verhindern, wird das Dämpfungsglied 10 an einer Ausgangsseite des Oszillators 2 angeordnet, und ein Teil (vorzugsweise etwa 50%) der Ausgabe des Oszillators 2 wird stets durch die Widerstände verbraucht. Auch wenn die Impedanz sich stark ändert und eine Anpassung nicht erreicht wird, arbeitet der Oszillator 2 durch Stabilisierung der Lastimpedanz des Oszillators sicher. Das Dämpfungsglied 10 kann auch in der Schaltung der Fig. 1, 16, 18, 20, 21, 22 und 28 vorgesehen sein.
Bei den oben erwähnten Ausführungsformen wird das Niveau der reflektierten Welle durch den Reflexionswellensensor 3 festgestellt, es kann aber auch ein Verhältnis von stehenden Wellen (SWR), wie später noch beschrieben wird, gemessen werden.
Als Abwandlung der vorstehenden Ausführungsformen kann die Sensorvorrichtung so aufgebaut sein, daß das vom Oszillator erzeugte Hochfrequenzsignal auf den Sensor über den Übertragungsweg gegeben und eine Phasenverschiebung gegen das Hochfrequenzsignal in den Detektor aus dem Übertragungsweg übertragen wird. Als weitere Abwandlung der vorstehenden Ausführungsformen kann die Sensorvorrichtung so aufgebaut sein, daß das im Oszillator erzeugte Hochfrequenzsignal dem eine Resonanzschaltung enthaltenden Sensor über einen Übertragungsweg zugeführt und eine Spannung oder ein Strom im Sensor gemäß dem externen Status, wie Unbesetztheit, Gepäck, menschlicher Körper oder dergleichen, festgestellt wird, um eine Substanz nachzuweisen. Die Sensorvorrichtungen für den menschlichen Körper der vorstehenden Ausführungsformen sind so aufgebaut, daß sie Unbesetztheit, Gepäck und menschlichen Körper als Sensor für den menschlichen Körper nachweisen, können aber auch auf einen Substanzsensor für das Abfühlen von Gepäck verschiedenen Substanzen angewandt werden.
In Fig. 33 ist ein Schaltungsdiagramm einer Pulversensorvorrichtung als neunter Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welche einen mit einem Hochfrequenzsignal oszillierenden Oszillator 2, einen Sensor 1, einen Übertragungsweg 4, einen Einfalls/Reflexionswellensensor 3a sowie einen Signalprozessor 50a enthält. Der Sensor 1 und der Oszillator 2 verwenden die gleichen Komponenten wie diejenigen in Fig. 1. Der Reflexionswellensensor 3 der Fig. 1 ist so aufgebaut, daß er eine reflektierte Welle abfühlt, der Einfalls-/Reflexionswellensensor 3a dieser Ausführungsform ist jedoch so ausgelegt, daß er ein Niveau einer auf den Sensor 1 über den Übertragungsweg 4 aufgegebenen Einfallswelle abfühlt.
Bei dem Einfalls-/Reflexionswellensensor 3a ist ein Kondensator 31 an seinem einen Ende mit dem Übertragungsweg 4 verbunden und an seinem anderen Ende über einen Kondensator 31a ge erdet und mit der Mitte einer Koppelspule 33a verbunden. Die Koppelspule 33a ist zu einem Widerstand 32a parallel geschaltet, wobei ein Ende der Parallelschaltung mit einer Anode einer Diode 34 verbunden ist und eine Kathode der Diode 34 über einen Kondensator 35a geerdet ist. Ein Reflexionswellensignal und ein Einfallswellensignal werden über Dioden 34 und 34a erzeugt.
Das erzeugte Einfallswellensignal und Reflexionswellensignal werden berechnet, um das Stehendwellenverhältnis der beiden Signale in dem Signalprozessor 50a zu erzeugen. Die Anwesenheit oder Abwesenheit von Pulver in der Nähe des Sensors 1 wird beruhend auf dem Verhältnis nachgewiesen. Wenn die Impedanz des Sensors 1 und die Impedanz des Übertragungswegs 4 angepaßt sind, wenn kein Pulver vorhanden ist, ändert die Anwesenheit von Pulver die Impedanz des Sensors 1 infolge einer Änderung der Permeabilität des Pulvers und läßt das Angepaßtsein verschwinden, so daß das auf den Übertragungsweg 4 gesendete Hochfrequenzsignal reflektiert wird. Die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform verwendet ein Verhältnis zwischen der Einfallswelle und der Reflexionswelle, wodurch ein stabiler Nachweis durchgeführt wird, ohne daß sich um Ausgabeschwankungen im Oszillator 2 gekümmert werden muß. Der Signalprozessor 50a, der das Verhältnis von Einfalls- und Reflexionswelle berechnet, kann den A/D-Wandler und die CPU der Fig. 16 oder eine analoge Rechenschaltung, die ein zur Ausgabe in Beziehung stehendes Verhältnis erzeugt, verwenden.
Fig. 34 zeigt ein Beispiel der Pulversensorvorrichtung dieser Ausführungsform beim Abfühlen von Weizenmehl. Wenn die Nachweisspule 11 des Sensors 1 in der Nähe eines Behälters 110, der Weizenmehl enthält, auf und ab bewegt wird, ist die Nachweisspannung V (Verhältnis) hoch in einem Bereich des Weizenmehls und niedrig im Bereich von Luft. Dementsprechend kann, wenn ein Schwellenwert VTH eingestellt wird, der Bereich, wo die Ausgabe größer als der Schwellenwert VTH ist, als der Bereich bei Vorhandensein von Weizenmehl betrachtet werden.
Die Fig. 35 bis 38 zeigen die Beziehung zwischen dem Ort P des Sensors 1 der Sensorvorrichtung der Fig. 33 und einer Ausgangsspannung V der Vorrichtung, wenn raffinierter Zucker, Kakao, Kaffee, entrahmte Milch in einem Behälter 100 enthalten sind und die Nachweispule 11 längs des Behälters, wie in Fig. 34, auf und ab bewegt wird. Die Grenzen-Ausgangsspannungen in den Luft- und Pulverbereichen sind unterschiedlich und es ist eine Stufe zwischen ihnen vorhanden, so daß ein Pulverniveau in dem Behälter nachgewiesen werden kann, indem ein Schwellenwert VTH in der Nähe eines Grenzpunkts eingestellt wird. Die betreffenden Grenzwerte sind unterschiedlich, so daß unbekanntes Pulver im Behälter hinsichtlich seiner Art identifiziert werden kann, indem eine Kenngröße des Unterschieds eingeführt wird.
Die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform ist als Sensor, der Pulver abfühlt, beschrieben, aber die Schaltungsvorrichtung, die das Verhältnis von Einfallswelle zu Reflexionswelle berechnet, ist auch auf Sensoren anwendbar, die andere Materialien, wie etwa Flüssigkeit usw., abfühlen.
Feuchtigkeit kann gemessen werden, indem hygroskopische Pulver verwendet werden. Die Beziehung von Feuchtigkeit und Reflexionswellenausgabe wird gemessen und die gemessene Beziehung vorab in einer Tabelle gespeichert. Die Sensorvorrichtung dieser Ausführungsform mißt eine Ausgabe einer Reflexionswelle und wandelt die Ausgabe in Feuchtigkeit im Hinblick auf die Tabelle zur Anzeige um. Es ist also eine Feuchtigkeitsmeßvorrichtung geschaffen.
Ein Beispiel eines Mechanismus zum Auf- und Abbewegen der Nachweisspule 11 der Fig. 34 oder des in den Fig. 6 bis 14 gezeigten Sensors 1 in der Nähe des Behälters ist in den Fig. 39 bis 42 gezeigt. Fig. 39 zeigt eine Seitenansicht eines Mechanismus, der einen Sensor 120 längs eines Rohres (Behälters) 110 mit kleinem Durchmesser auf und ab bewegt. Fig. 40 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Sensors 120 in Blickrichtung gesehen. Fig. 41 ist eine vergrößerte Seitenansicht des Sensors 120 in einer anderen Blickrichtung gesehen, und Fig. 42 ist eine vergrößerte Draufsicht des Sensors 120, gesehen von oben.
In den Fig. 39 bis 42 ist der Sensor 120 durch ein Halterungselement 130 für eine Auf- und Abbewegung gehaltert. Das Halterungselement 130 ist durch einen Gurt 125 fixiert, der mit einer auf einer Welle eines Schrittmotors 121 angebrachten Rolle 122 und einer durch ein Lager drehbar auf einer Welle 123 angebrachten Rolle 124 im Eingriff ist, und wird durch einen Führungsstab 125 geführt, der sich längs des engen Rohres 110 erhebt. Als Bewegungselement für den Sensor 120 kann eine Kombination aus einer Schraubenstange und einer Mutter oder ein Linearschrittmotor anstelle von oben erwähnten Riemen und Rolle verwendet werden. An einer bestimmten Stelle sind ein Obergrenzendetektor 120 zum Nachweis einer oberen Grenzlage des Sensors und ein Untergrenzendetektor 120b zum Nachweis einer unteren Grenzlage des Sensors vorgesehen.
Der Sensor 120 wird durch den Sensor 1 des Detektors der Fig. 33 und einen Photosensor 131 gebildet. Der Photosensor 131 enthält ein Lichteinstrahl- und -empfangselement 132, welches das enge Rohr 110 in gegenüberstehender Beziehung zwischen sich nimmt, und eine optische Faser 134, die mit einem Photosensor- Körper 133 verbunden ist, der ein Lichteinstrahlelement und ein Lichtempfangselement umschließt. Der Photosensor 131 steht mit der Erfindung nicht direkt in Beziehung. Die Nachweisspule 11 dieser Erfindung ist an einer geringfügig tieferen Stelle als das Lichteinstrahl- und -empfangselement 132 des Photosensors 131 angeordnet, und die Nachweisspule 11 befindet sich in der Nähe einer Randfläche des engen Rohres 110.
Der Sensor 120 liegt bezüglich des engen Rohres 110 durch Rollen 126a, 126b und 126c im Abstand, die das Rohr 110 in drei Richtungen berühren. Ein Paar von Rollen 126a und 126b ist in einer vertikalen Linie angeordnet. Wenn der Schrittmotor 121 eingeschaltet wird, wird der Sensor 120 längs eines Führungsstabs 125 über oder unter dem Halterungselement 130 auf oder ab bewegt. Der Sensor 120 bewegt sich zusammen mit dem Halterungselement 130, und das Licheinstrahl- und -empfangselement 132 des Photosensors 131 und der Nachweisspule 11 des Sensors 1 bewegen sich stabil unter Beibehaltung eines bestimmten Abstandes gegenüber und in der Nähe des engen Rohres 110.
Gemäß dieser Erfindung wird Substanz, Material und menschlicher Körper abgefühlt, indem ein Signal nachgewiesen wird, das zu einer Änderung der Permeabilität in der Nähe eines Sensors in Beziehung steht, wodurch der Nachweis einer in einem verschmutzten oder undurchsichtigen Behälter, der durch einen Photosensor nicht abgefühlt werden kann, enthaltenen Substanz durchgeführt werden kann. Auch wenn ein Behälter mit einem Etikett beklebt ist, kann eine Substanz innerhalb des Behälters abgefühlt werden. Der Nachweis eines Materials einer Substanz, die durch einen Photosensor, ein elektrisch leitendes Verfahren und einen Ultraschallsensor nicht nachgewiesen werden kann, wird beruhend auf einem Unterschied in der magnetischen Permeabilität der Substanz durchgeführt. Ein berührungsloser Nachweis ist ebenfalls möglich. Der Nachweis einer Grenzfläche von unterschiedlichen Materialien, die durch eine elektrisch leitende Methode, ein Ultraschall-, ein dielektrisches Verfahren und einen Näherungsschalter nicht nachgewiesen werden kann, läßt sich durchführen. Weder ist ein Reflektor noch ist ein Paar von Elektroden erforderlich. Ein Schwimmer ist ebenfalls nicht erforderlich für den Nachweis eines Flüssigkeitsniveaus. Der Nachweis des Flüssigkeitsniveaus wird durch Blasen nicht beeinflußt. Eine Substanz und Flüssigkeit in einem geschlossenen Behälter läßt sich nachweisen. Die Sensorvorrichtung dieser Erfindung kann als Näherungsschalter, der ein von Metallen verschiedenes Material abfühlt, verwendet werden. Ein Abstand zwischen einer Substanz und einer Flüssigkeit kann ebenfalls gemessen werden. Diese Wirkungen lassen sich ausgewählt in den vorstehenden Sensorvorrichtungen, die in der Lage sind, Nachweisgegenstände nachzuweisen, finden.
Die Erfindung wurde in Bezug auf gewisse Ausführungsformen, die zufriedenstellende Ergebnisse liefern, beschrieben und dargestellt, es versteht sich jedoch für den Fachmann nach dem Verständnis des Zweckes der Erfindung, daß verschiedene weitere Änderungen und Abwandlungen gemacht werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, weshalb gewollt ist, daß die beigefügten Ansprüche alle diese Änderungen und Abwandlungen abdecken.

Claims

1. Sensorvorrichtung mit

einem Oszillator (2) zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals,

einem Sensor (1), welcher einen das Hochfrequenzsignal vom Oszillator (2) erhaltenden Resonanzkreis enthält, und

einem Detektor (3) zur Erzeugung eines Signals, das sich auf eine Variation ein er Impedanzänderung des Sensors (1) bezieht, dadurch gekennzeichnet, daß

der Sensor (1) und der Detektor (3) aus passiven Elementen ohne Verwendung von aktiven Elementen bestehen.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Resonanzkreis eine um einen torischen Kern (15) gewickelte Spule (11) enthält.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Sensor (1) ferner einen Transformator (13) zur Versorgung des Resonanzkreises mit Spannung enthält und der Resonanzkreis eine Nachweisspule (11) zum Abfühlen eines Zustandes in der Nähe der Nachweisspule (11) und einen mit der Nachweisspule (11) in Reihe oder parallel geschalteten Kondensator (12) enthält.

4. Abfühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Hochfrequenzsignal als solches Hochfrequenzsignal ausgelegt ist, daß ein Unterschied in den Ausgaben des Detektors (3) bei Vorhandensein und Fehlen eines bestimmten nichtmagnetischen Materials oder Substanz in Nähe des Sensors (1) gegeben ist.

5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Frequenz zwischen 10 MHz und 300 MHz liegt.

6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Resonanzkreis so angeordnet ist, daß er durch die magnetische Permeabilität eines Materials oder einer Substanz in der Nähe beeinflußt wird, und der Detektor (3) eine Veränderung des durch die magnetische Permeabilität des externen Materials oder der externen Substanz in der Nähe beeinflußten Resonanzkreises nachweist.

7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Resonanzkreis eine solche Resonanzfrequenz hat, daß eine Signalfrequenz des Oszillators (2) auf einer steilen Neigung einer Resonanzcharakteristik angeordnet ist und daß das vom Detektor (3) erzeugte Signal sich auf einen externen Zustand in der Nähe des Sensors (1) bezieht.

8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Resonanzkreis resoniert und die Imaginärzahl der Impedanz um null herum eingestellt ist, wenn ein externer Nachbarzustand Referenzzustand ist, und daß das vom Detektor (3) erzeugte Signal sich auf eine Zunahme der Imaginärzahl der Impedanz des Sensors (3) bezieht.

9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Detektor (3) so eingerichtet ist, daß er eine reflektierte Welle, die Maßgabe eines externen Zustands in der Nähe des Sensors reflektiert ist, nachweist und das durch den Detektor (3) erzeugte Signal sich auf die reflektierte Welle bezieht.

10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Detektor (3) so eingerichtet ist, daß er eine Phasenverschiebung der reflektierten Welle gegenüber dem durch den Oszillator (2) erzeugten Hochfrequenzsignal nachweist.

11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der Detektor (3) so eingerichtet ist, daß er Leistung der reflektierten Welle in Spannung zur Erzeugung der Umwandlungsspannung umwandelt.

12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Detektor (3) mit dem Oszillator (2) und dem Sensor (1) für ein Trennen einer Einfallswelle vom Oszillator (2) von einer reflektierten Welle vom Sensor (1) verschaltet ist, um so jeweils diesen entsprechende Signale zu erzeugen.

13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, welche ferner einen mit einem Paar von Ausgängen des Detektors (3a) verbundenen Prozessor (50a) zur Erzeugung eines Ausgangssignals, das sich auf ein Verhältnis zwischen der Einfallswelle vom Oszillator (2) und der reflektierten Welle vom Sensor (1) bezieht, aufweist.

14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner ein einen Widerstand (105) verwendendes Dämpfungsglied (10) zwischen dem Detektor (3) und dem Oszillator (2) aufweist.

15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 14, bei welcher das Dämpfungsglied (10) so ausgelegt ist, daß es 50% einer Ausgabe des Oszillators (2) verbraucht.

16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner eine Gegenkopplungsschaltung (90) zwischen dem Sensor (3) und dem Oszillator (2) verbraucht.

17. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner Beurteilungsmittel (52) zur Diskriminierung des Ausgangs signals des Sensors (1) für eine Beurteilung des Vorhandenseins oder Fehlens einer bestimmten Flüssigkeit aufweist.

18. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Grenzdetektor (50) zur Feststellung eines Änderungspunkts eines Reflektionssignals des Sensors (1) beruhend auf dem Signal des Detektors (3) zur Feststellung einer Grenze einer Substanz aufweist.

19. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Pulverdetektor (50a) zur Diskriminierung des Ausgangssignals des Sensors (1) an einem Niveau für eine Beurteilung des Vorhandenseins oder Fehlens eines Pulvers aufweist.

20. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Detektor (3) für einen Nachweis eines Pulvers mit hygroskopischem Verhalten, das in der Nähe des Sensors angeordnet ist, und einer reflektierten Welle des Sensors (2) eingerichtet ist, um so ein Signal zu erzeugen, welches sich auf die reflektierte Welle bezieht, wobei die Sensorvorrichtung ferner einen Prozessor (50 und 50a) zur Umwandlung des Ausgangssignals des Detektors in Feuchtigkeit aufweist.

21. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner

einen Prozessor (50) zur Umwandlung des Ausgangssignals des Detektors in eine Lösungsproduktkonzentration und

eine Anzeige (60) zur Anzeige des Ausgangssignals des Prozessors aufweist.

22. Sensorvorrichtung nach Anspruch 21, welche ferner einen Temperatursensor (70) zum Abfühlen von Temperatur einer Flüssigkeit aufweist, wobei der Prozessor (50) die Konzentration bezüglich Temperatur beruhend auf einer Ausgabe des Temperatursensors (70) kompensiert.

23. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Detektor (3) so eingerichtet ist, daß er eine reflektierte Welle, die von einer in der Nähe des Sensors (1) angeordneten temperaturabhängigen Wasserlösung reflektiert wird, nachweist, um ein Signal zu erzeugen, das sich auf die reflektierte Welle bezieht, wobei die Sensorvorrichtung ferner einen Prozessor (50) zur Umwandlung des auf die Temperatur der Wasserlösung bezüglichen Ausgangssignals in Temperatur und eine Anzeige (60) zur Anzeige eines vom Prozessor (50) erzeugten Ausgangssignals aufweist.

24. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Controller (50) zur Feststellung einer Substanz beruhend auf einem von dem Detektor (3) erzeugten Ausgangssignal und der vom Oszillator (2) erzeugten Oszillationsfrequenz aufweist.

25. Substanzsensorvorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher eine Spule (11) des Resonanzkreises eine Luftspule mit wenigstens einer Wicklung ist.

26. Substanzsensorvorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher eine Spule (11) der Resonanzschaltung um ein magnetisches Element (18) gewickelt ist.

27. Substanzsensorvorrichtung nach Anspruch 24, bei welcher der Resonanzkreis mehrere Spulen (11a, 11b) enthält.

28. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, welche ferner einen Controller (50) zur Identifizierung des menschlichen Körpers und von anderen Substanzen beruhend auf einem von dem Detektor (3) erzeugten Ausgangssignal und der vom Oszillator (2) erzeugten Oszillationsfrequenz aufweist.

29. Sensorvorrichtung nach Anspruch 28, bei welcher der Resonanzkreis eine in einem Sitz (61) angebrachte Spule (11) aufweist.

30. Sensor nach Anspruch 28, bei welchem der Resonanzkreis eine in einem Kissen (62) angebrachte Spule (11) aufweist.

31. Substanzsensor nach Anspruch 28, 29 oder 30, bei welchem die Spule (11) aus einem bei einem Hochfrequenzsignal gut leitenden Material besteht.

32. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Sensor (11) eine so angeordnete Spule aufweist, daß sie durch die Permeabilität eines Materials oder einer Substanz in der Nähe des Sensors beeinflußt wird, wobei die Sensorvorrichtung ferner

einen Detektor (3) zum Nachweis einer Veränderung im durch die Permeabilität eines Materials oder einer Substanz, das bzw. die in der Nähe des Sensors (1) extern vorliegt, beeinflußten Resonanzkreis für eine Erzeugung eines sich auf die Änderung beziehenden Signals aufweist,

wobei der Sensor (1) mit dem Oszillator (2) und dem Detektor (3) über ein Kabel verbunden und gesondert getrennt von dem Oszillator (2) und dem Detektor (3) ist.