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Induktive bzw. kapazitive Abtasteinrichtung unter Verwendung eines
Resonanzkreises Bei der Lösung technischer Steuerungs- und Regelungsaufgaben benötigt
man in vielen Fällen elektronische Abtastorgane, welche zu unterscheiden haben,
ob sich ein bestimmter Gegenstand an einer bestimmten Stelle befindet oder nicht.
Bekannt sind mechanische Abtaster, bei denen ein mechanischer Schalter z. B. geschlossen
wird, wenn sich ein Schaltnocken an einer bestimmten Stelle befindet. Ferner sind
photoelektrische Abtaster bekannt, die ein Signal abgeben, wenn sich ein Gegenstand
oder eine undurchsichtige Stelle einer Codescheibe zwischen einer Lichtquelle und
dem lichtempfindlichenAbtastelement befindet. Schließlich sind auch Oszillatoren
bekannt, bei denen die Schwingungen abreißen, wenn eine Metallscheibe in den induktiven
Rückkopplungsweg eingeführt wird.
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Schaltgeschwindigkeit, Schalthäufigkeit und Lebensdauer der mechanischen
Abtaster sind klein. Die beiden anderen Arten von Abtasteinrichtungen benutzen Bauelemente
mit begrenzter Lebensdauer, z. B. Röhren, Halbleiter und Lämpchen, geben nur kleine
Leistungen ab und sind bei Verwendung von Halbleitern temperaturabhängig. Alle drei
Typen von Abtasteinrichtungen verlangen einen großen technischen Aufwand und sind
in ihrem mechanischen Aufbau wenig robust.
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Durch die Erfindung werden die Nachteile der bekannten Einrichtungen
vermieden. Die erfindungsgemäße Ausbildung besteht aus rein passiven Elementen und
ist als berührungsloser elektronischer Schalter ausgebildet. Die Erfindung bezieht
sich auf eine induktive bzw. kapazitive Abtasteinrichtung, insbesondere für relativ
zueinander bewegbare Teile, unter Verwendung eines Resonanzkreises, dessen induktives
oder kapazitives Element durch ein bewegbares Teil geändert wird. Die Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis als ferroresonanter Kreis derart
ausgebildet ist, daß sich sein Schaltzustand bei Änderung des induktiven bzw. kapazitiven
Elementes sprunghaft ändert.
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Es ist bereits eine Steuereinrichtung für Werkzeugmaschinen od. dgl.
bekannt, die von einem endlosen Stahlband Gebrauch macht, das den Luftspalt eines
Rahmenkernes durchläuft, wobei der Rahmenkern mit zwei Wicklungen versehen ist.
Durch verschiedenartige Magnetisierung des Stahlbandes wird die Gegeninduktivität
zwischen den beiden Wicklungen geändert, und die sich an einer Wicklung ergebende
Spannung wird verstärkt und weiterverarbeitet. Die Einrichtung ist unbrauchbar,
wenn es sich darum handelt, die Annäherung eines von der Einrichtung
unabhängigen
Elementes beliebiger Abmessung zu signalisieren.
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Es ist ferner eine Einrichtung zum Konstanthalten der Spannung eines
Wechselstromnetzes mit Hilfe eines durch eine Regelvorrichtung geregelten Transformators
bekannt, bei welcher die Regelvorrichtung durch einen zweiphasig geschalteten Induktionsmotor
mit zwei Ständerwicklungen gesteuert wird. Diese Einrichtung besitzt dabei ein Widerstandsgebilde,
das aus eisenhaltigen Drosselspulen und unveränderlichen Kondensatoren besteht.
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Es sind auch Einrichtungen bekannt, die der Prüfung von Werkstücken
auf ihre Abmessungen hin dienen. Es handelt sich hierbei um elektromagnetische Meßlehren.
Zur Empfindlichkeitssteigerung derartiger Meßlehren wird dabei in der Nähe der Resonanz
eines aus Induktivität und Kapazität bestehenden Kreises gearbeitet.
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Außerdem ist ein elektrischer Regler bekannt, der von zwei festen
und einer beweglichen Elektrode Gebrauch macht, die einen Kondensator bilden. Die
bewegliche Elektrode wird dabei von einem Zeiger eines Meßinstrumentes geführt.
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Schließlich sind Anordnungen zur Regelung von Wechselstrom-Generatoren
bekannt, bei welchen der Erregerstromkreis des Generators über einen Gleichrichter
von einer Wechselspannung gespeist wird und in die Wechselstromseite des Gleichrichters
vormagnetisierte Drosselspulen eingeschaltet sind, wobei die Vormagnetisierung abhängig
ist von dem gleichgerichteten Strom eines kippfähigen Kreises. Der Kippkreis ist
eine Reihenschaltung eines Kondensators
einer eisenhaltigen Drosselspule
und eines Widerstandes.
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Die Erfindung wird an Hand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Elemente in den Figuren tragen gleiche
Bezugszeichen.
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Die Erfindung geht aus von einem an sich bekannten Ferroresonanzkreis,
wie ihn die Fig. 1 zeigt. Der Kreis besteht aus einer Reihenschaltung einer sättigbaren
Induktivität 1 mit einem Kondensator 2 und einem Widerstand 3. Er wird aus einem
Wechselstromgenerator 4 mit vernachlässigbar kleinem Innenwiderstand gespeist. Die
Frequenz der sinusförmigen Speisespannung ist konstant, die Amplitude sei von Null
an stetig einstellbar.
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Die Fig. 2 zeigt die Arbeitscharakteristik des Ferroresonanzkreises
nach der Fig. 1. Beim Erhöhen der Generatorspannung UG von Null an steigt der Strom
I von Null über A bis B. Erhöht man die Spannung jetzt noch ein wenig, so springt
der Strom nach C (Strichelung) und steigt bei weiterer Vergrößerung der Generatorspannung
UG weiter an, z. B. bis D. Wird die Spannung UG wieder verringert, dann folgt der
Strom der Kurve von D über C bis E, springt plötzlich nach A und folgt der Kurve
von A bis 0. Solange sich der jeweilige Arbeitspunkt auf dem linken Ast der Kurve,
also zwischen 0 und B, befindet, fließt ein relativ kleiner Strom. Die Anordnung
befindet sich im Zustand »0«. Befindet sich der Arbeitspunkt zwischen E und D, so
fließt ein relativ großer Strom. Die Anordnung befindet sich im Zustand »L«. Zwischen
B und E gibt es keine stabilen Arbeitspunkte. Der Ubergang von »0« nach »L« oder
umgekehrt geschieht sprunghaft. Um einen solchen Übergang auszulösen, genügt es,
die Spannung UGG ein wenig zu vergrößern bzw. zu verkleinern.
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Gemäß der Erfindung wird der Kreis nach der Fig. 1 als Abtasteinrichtung
verwendet, wobei nach der Fig. 3 in den Kreis beispielsweise eine zweite Induktivität
5 eingeschaltet ist, die als Abtastkopf wirkt. Diese Zusatzinduktivität wird durch
die auftretenden Ströme nicht gesättigt. Der Übergang von »0« nach »L« der Anordnung
bzw. umgekehrt wird durch Veränderung der Zusatzinduktivität 5 ausgelöst. Die Veränderung
der Zusatzinduktivität 5 wird durch Annähern eines Gegenstandes aus geeignetem Material,
z. B. Metall, an den Luftspalt der Zusatzinduktivität 5 bewirkt. In der Fig 4 ist
ein Beispiel für die Ausführung der Induktivität 5 angegeben. Auf einem hufeisenförmigen
Kern 6 befindet sich eine Wicklung7. Die magnetischen Kraftlinien schließen sich
in der durch die gestrichelten Linien angedeuteten Weise. Wenn ein Metallstück 8
in dieses Feld gebracht wird, ändert sich die Induktivität der gesamten Anordnung.
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Die Fig. 5 zeigt die Arbeitscharakteristik der erfindungsgemäßen
Ausbildung für verschiedene Werte der Zusatzinduktivität 5. Wenn sich das Metallstück
8 (Fig. 4) nicht im Bereich des sich durch die Luft schließenden Magnetfeldes befindet,
ist die Zusatzinduktivität5 relativ groß. Es gilt die Kurve 1 der Fig. 5. Die Generatorspannung
UGG bleibt konstant auf einen Wert eingestellt. Die Anordnung befindet sich im Zustand
»0«, da die Spannung UGG auf der Kurve 1 zwischen 0 und B liegt. Bei Annäherung
des Metallstückes 8 an den Kern 7 (Fig. 4) wird die Zusatzinduktivität s kleiner,
falls es sich bei dem Metall-
stück 8 um ein Nichteisenmetall, z. B. Kupfer, handelt.
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Es gilt die Kurve 2 der Fig. 5. Der Zustand »0« wird noch aufrechterhalten,
da der PunktB' der Kurve 2 immer noch über der Spannung UGG liegt. Bei weiterer
Annäherung des Metallstückes 8 an den Kern 7 (Fig. 4) wird die Zusatzinduktivität
5 noch kleiner.
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Es gilt dann die Kurve 3 der Fig. 5. Der Punkt B" der Kurve 3 unterschreitet
die Linie UGG, wodurch der Strom von J1 auf J2 springt (B" nach C). Die Anordnung
befindet sich jetzt im Zustand »L«. Der Übergang von »0« nach »L« erfolgt sprungartig.
Entfernt man das Metallstück 8 wieder vom Kern 7, dann wird die Zusatzinduktivität
5 wieder größer. Bei Erreichen der Kurve 2 wird der Zustand »L« noch aufrechterhalten,
da der Punkt E' noch nicht die Linie UGG überschritten hat. Bei weiterer Entfernung
des Metallstückes ergibt sich wieder die Kurve 1, wobei nunmehr der Punkt E die
Linie UGG überschritten hat. Bei weiterer Entfernung des Metallstückes ergibt sich
wieder die Kurve 1, wobei nunmehr der Punkt E die Linie UGG erreicht und damit eine
sprunghafte Änderung des Stromes von J2 nach J1 erfolgt (E nach A).
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Die Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung läßt sich für verschiedene
Leistungen und Frequenzen bauen. Leistungsstarke 50-Hz-Abtaster können z. B. für
Fahrstuhlsteuerungen oder im Eisenbahn-Signalwesen verwendet werden. Für industrielle
Anwendungen, z. B. bei Werkzeugmaschinensteuerungen, lassen sich kleine Abtastelemente
mit großer Ansprechempfindlichkeit und einer hohen Frequenz der Generatorspannung
UG bauen, wobei als Metallstück 8 (Fig. 4) eine Kupferfolie dienen kann. Die Erfindung
ist mit Vorteil in Verbindung mit Codescheiben anwendbar. Diese werden nach Art
gedruckter Schaltungen ausgebildet. Da die Codescheibe hier nicht -wie z. B. bei
photoelektrischen Abtastern - in einem Spalt laufen muß, kann man sie beliebig dick
und damit mechanisch stabil machen.
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An Stelle des ferroresonanten Serienkreises läßt sich auch ein ferroresonanter
Parallelkreis nach der Fig. 6 verwenden. Die für den Serienkreis angegebenen elektrischen
Vorgänge treten sinngemäß beim Parallelkreis auf. Ferner ist es möglich, keine Zusatzinduktivität5
zu verwenden, sondern die im ferroresonanten Kreis vorhandene sättigbare Induktivitätl
oder Kapazität 2 so auszubilden, daß ihr Wert durch Annähern eines Metallstückes
verändert wird, wodurch eine Änderung des Schaltzustandes des Kreises erfolgt.