DE1466554C2

DE1466554C2 - Anordnung zur Auslösung von Schaltvorgängen in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen

Info

Publication number: DE1466554C2
Application number: DE1466554A
Authority: DE
Inventors: Masuo Muko Otokuni Kyoto Ichimori (Japan)
Original assignee: TATEISI ELECTRONICS CO KYOTO (JAPAN)
Current assignee: TATEISI ELECTRONICS CO KYOTO (JAPAN)
Priority date: 1965-12-15
Filing date: 1965-12-15
Publication date: 1974-01-10
Also published as: DE1466554B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Auslösung von Schaltvorgängen in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen mit einem Transistor-Oszillator, der eine Reaktanzschaltung mit einer Reihen- und einer Parallelresonanzfrequenz sowie eine Fühlerelektrode aufweist, deren Kapazität sich beim Annähern eines Gegenstands ändert und dadurch eine sprungartige Änderung des Schwingungszustandes des Oszillators hervorruft.

Es sind viele Typen von elektrischen Annäherungsfühlern bekannt. Sie werden beispielsweise zum Feststellen der Höhe von Flüssigkeiten oder Pulvern in einem Behälter oder Tank verwendet. Bei einigen von ihnen wird ein Oszillator mit einer Vakuumröhre verwendet, so daß, wenn ein festzustellender Gegenstand sich einer Fühlerelektrode nähert, deren Kapazität sich ändert, wodurch sich eine Änderung in der Amplitude der Schwingung ergibt. Diese Änderung wird durch eine entsprechende Änderung des Anodenstroms der Vakuumröhre festgestellt und zur Betätigung eines Relais oder einer Anzeigevorrichtung benutzt. ^

Verschiedene Versuche, solche Oszillatoren zu transistorisieren, haben zu einer Reihe von Schwierigkeiten geführt. Bei einem Oszillator mit Transistoren befinden sich unter den Faktoren, welche die Amplitude der Schwingung bestimmen, die elektrischen Eigenschaften des verwendeten Transistors, und diese Eigenschaften werden sehr leicht durch die Umgebungstemperatur beeinflußt. Das bedeutet, daß der Oszillator eines transistorierten Typs nicht in genau festgelegter Weise in Abhängigkeit von einer Kapazitätsänderung in der Größenordnung von 1 bis 2 pF arbeiten kann, bei welcher ein Oszillator mit einer Vakuumröhre durchaus sicher anspricht. Des weiteren werden Pulver oder Flüssigkeiten, beispielsweise Öl, sehr leicht elektrostatisch aufgeladen, wenn sie in einen Tank gefüllt oder gerührt werden. Versuche zeigen, daß Pulver aus Isoliermaterial, beispielsweise aus Kunststoff, auf Spannungen von Hunderttausenden von Volt aufgeladen werden. Es geschieht nur selten, daß Vakuumröhren durch die Entladung der statischen Elektrizität der Fühlerelektrode zerstört werden. Eine solche Entladung würde jedoch sofort Transistoren zerstören, so daß es notwendig wäre, eine Schutzschaltung vorzusehen.

Wenn Schwierigkeiten dieser Art erfolgreich überwunden werden könnten, wären die Vorteile der Transistoren gegenüber den Vakuumröhren offensichtlich. Mit Transistoren könnte beispielsweise das ganze Gerät kleiner hergestellt werden; die Arbeitsspannung könnte sehr leicht von einer Zener-Diode abgeleitet werden, wobei sich Verbesserungen hinsichtlich der Stabilität der Empfindlichkeit der Vorrichtung bei Änderungen der Netzspannung ergeben; die Vorrichtung wäre sofort betriebsbereit, wenn sie eingeschaltet wird; Transistoren haben eine längere Lebensdauer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

eine Annäherungs-Fühlvorrichtung anzugeben, die mit einem Oszillator ausgestattet ist, der im Betrieb stabil und genau arbeitet. Des weiteren soll dafür gesorgt werden, daß ein transistorisierter Oszillator verwendet werden kann, dessen Schwingungszustand sich bei einer Kapazitätsänderung sprungartig ändert, die durch die Annäherung eines Gegenstandes an das Fühlerelement verursacht ist. Insbesondere sollen Schwankungen in der Umgebungstemperatur nur wenig Einfluß haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bereits vorgeschlagen worden (deutsche Patentschrift 1 288 323), bei einer Anordnung zur Auslösung von Schaltvorgängen mit einer Annäherungs-Fühlvorrichtung der eingangs erwähnten Art, an den Schwingkreis des Oszillators einen Gleichrichterkreis zu koppeln, dessen Gleichrichter so gepolt ist, daß die durch die Gleichrichtung der in den Gleichrichterkreis eingekoppelten Schwingungen entstehende Richtspannung den Gleichrichter in der Sperrichtung vorspannt, und den Gleichrichter durch eine Gleichspannung in Durchlaßrichtung vorzuspannen und den Gleichrichterkreis so auszuführen, daß er für die erzeugten Schwingungen niederohmig ist.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung beruht darauf, daß die Gleichrichterschaltung durch die Vorspannung im Durchlaßbereich niederohmig gehalten wird und daher den Schwingkreis im 'Ruhezustand stark belastet und dementsprechend stark dämpft. Die Schwingungen des Oszillators setzen daher bei Erreichen eines bestimmten Kapazitätswerts zunächst mit kleiner Amplitude ein. Die in den Gleichrichterkreis eingekoppelten Schwingungen werden gleichgerichtet, wodurch eine Richtspannung entsteht, die der Vorspannung entgegenwirkt und den Gleichrichter in den Sperrzustand zu bringen sucht. Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird der Widerstand des Gleichrichterkreises größer und der Schwingkreis dementsprechend weniger gedämpft. Die Schwingungsamplitude nimmt auf Grund der abnehmenden Dämpfung also auch dann zu, wenn keine weitere Kapazitätsänderung erfolgt. Die stärker werdenden Schwingungen bewirken eine entsprechende Zunahme der Richtspannung, und dieser Vorgang schaukelt sich verhältnismäßig schnell so weit auf, bis der Gleichrichter schließlich vollständig gesperrt ist.

Die gleiche Erscheinung tritt im umgekehrten Sinne ein, wenn die Kapazität so verändert wird, daß die Schwingungen des Oszillators aussetzen. Sobald die Schwingungsamplitude kleiner wird, verringert sich die Richtspannung im Gleichrichterkreis, und wenn die Vorspannung den Gleichrichter wieder in den Durchlaßbereich bringt, wird der Gleichrichterkreis wieder niederohmiger, so daß er den Schwingkreis entsprechend stärker dämpft. Dies hat wieder eine weitere Abnahme der Schwingungsamplitude zur Folge, so daß schließlich die Schwingung zusammenbricht.

Hierbei wird mithin die Schwingung in Abhängigkeit von ihrer Amplitude im Sinne einer Mitkopplung zunehmend schwächer oder stärker (durch ohmsche Verluste) gedämpft, so daß die Schwingungen sehr schnell ansteigen oder abnehmen. Dies bedeutet, daß hier sowohl auf die Phasenbeziehung für den Schwingungseinsatz als auch auf den Rückkopplungsgrad eingewirkt wird, jedoch überwiegend auf den Rückkopplungsgrad.

Demgegenüber wird die angegebene Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Oszillator ein Colpitts-Oszillator ist, dessen induktiver Zweig die Reaktanzschaltung aufweist.

Dieser Oszillator schwingt, wenn die Reaktanzschaltung induktiv ist, und die Schwingung bricht ab, wenn die Reaktanzschaltung kapazitiv ist, wobei die Kapazitätsänderung der Fühlerelektrode beim Annähern eines Gegenstandes die zunächst induktive Reaktanzschaltung kapazitiv macht.

Hierbei erfolgt lediglich eine sprungartige Änderung der Phasenbeziehung an der Stabilitätsgrenze bei bereits vorhandenem ausreichendem Rückkopplungsgrad. Die Phasenbeziehung ändert sich daher ebenfalls in Abhängigkeit von ihrer Größe im Sinne einer Mitkopplung, wodurch die sprungartige Änderung der Phasenbeziehung und mithin das sprung- artige Einsetzen oder Aussetzen der Schwingungen und ein sprungartiges Ansteigen oder Abnehmen der Schwingungsamplitude erreicht wird, auch wenn der Gegenstand, dessen Annäherung zu erfassen ist, sich nur langsam dem Fühlerelement nähert'

Dies stellt mithin eine andere Lösung als der frühere Vorschlag dar.

Bei einer bekannten Anordnung (deutsche Auslegeschrift 1031532) zur Umsetzung mechanischer in elektrische Größen mit einem transistorisierten Oszillator und einer Reaktanzschaltung wird der Kollektorstrom des Transistors über einen Transformator, dessen Sekundärwicklung die Spule eines Schwingkreises im Basis-Emitterkreis des Transistors bildet, zurückgekoppelt und der Kopplungsgrad des Transformators durch Ändern der Lage eines Gegenstandes im Feld des Transformators geändert, bis die Schwingungen ein- oder aussetzen. Hierbei wird jedoch nur der Betrag des Rückkopplungsgrades des Transistors und nicht das Vorzeichen (die Phasenbeziehung) geändert, und diese Änderung erfolgt nur stetig, aber nicht sprungartig, so daß die Schwingungsamplitude sich langsamer ändert als im Falle einer sich selbst im Sinne einer Mitkopplung unterstützenden Änderung der Rückkopplung nach Betrag und/ oder Phase.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein äquivalentes Schaltbild des Oszillators nach F i g. 1,

F i g. 3 und 4 Darstellungen des Reaktanzverlaufs in Abhängigkeit von der Frequenz der in dem Oszillator verwendeten Reaktanzen.

In F i g. 1 ist ein Oszillator 10 vom Colpitts-Typ gezeigt. Der Oszillator weist einen Transistor 12 auf. Damit ein transistorisierter Colpitts-Oszillator seine Schwingung aufrechterhält, müssen die Emitter-Basis-Reaktanzen und die Emitter-Kollektor-Reaktanzen kapazitiv und die Basis-Kollektor-Reaktanzen induktiv sein. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist, obwohl ein Kondensator 13 zwischen die Basis und den Emitter des Transistors 12 geschaltet ist, nicht nur ein Kondensator 20, sondern auch eine Parallelschaltung 18 einer Spule 14 und eines Kondensators 16 in Reihe zwischen den Emitter und Kollektor des Transistors 12 gelegt. Zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 12 ist eine Reihenschaltung eines Kondensators 22, einer Induktionsspule 24 und eines Kondensators 26 geschaltet. Der Kondensator 22 hat eine verhältnismäßig große Kapazität und bietet daher eine möglichst kleine Reaktanz für die Schwingungsfrequenz des Oszillators. Eine Elektrode 28 zum Feststellen der Annäherung eines Gegenstandes ist an einen Verbindungspunkt 30 zwischen der Spule 24 und dem Kondensator 26 angeschlossen. Die Streukapazität der Spule 24 und auch der Elektrode 28 kann als äquivalenter Kondensator 29 gedacht werden, der parallel zu der Reihenschaltung von Spule 24 und Kondensator 22 liegt. Zwischen die Leitungen 33 und 35, die zu den Anschlußklemmen 32 und 34 einer Spannungsquelle führen, ist ein Kondensator 36 gelegt, der diese Leitungen bei hohen Frequenzen verbindet und gleichzeitig als Glättungskondensator dient. Der Kondensator 36 ist jedoch *nicht erforderlich, wenn die betriebliche Gleichspannungsquelle gegenüber hohen Frequenzen eine niedrige Impedanz hat. Die Elektrode 28 ist mit der Leitung 35 über eine Entladungsröhre 38 geringer Spannung verbunden.

Mit der Spule 14 ist elektromagnetisch eine Kopplungsspule 40 verbunden, die einen Teil der Span-

nung des Oszillators auskoppelt. Diese Spannung wird einem Verstärker 44 zugeführt, der einen Transistor 42 aufweist. Dessen Ausgang wird über einen Einweggleichrichter 46 einem Schaltkreis 50 zugeführt, der einen Transistor 48 aufweist. Das Vorhandensein oder das Fehlen einer Ausgangsspannung an der Klemme 52, was durch den leitenden oder nichtleitenden Zustand des Transistors 48 verursacht ist, wird benutzt, um das Annähern eines Gegenstandes an die Fühlerelektrode anzuzeigen. Eine Zener-Diode 53 ist zwischen die Leitungen 33 und 35 gelegt, um die Betriebsspannung zu stabilisieren. Der Kondensator 22 läßt Frequenzen in der Größenordnung von Megahertz hindurch, verhindert aber, daß die Gleichspannung zwischen den Klemmen 32 und 34 an die Fühlerelektrode 28 gelangt. Der Oszillator 10 kann auch wie die äquivalente Hochfrequenzschaltung nach F i g. 2 ausgelegt sein.

Wie bereits erwähnt, ist es zum Schwingen des Oszillators 10 notwendig, daß sowohl die Basis-Emit- ao ter-Reaktanz Xbe des Transistors 12 als auch die Emitter-Kollektor-Reaktanz Xec kapazitiv ist und daß die Basis-Kollektor-Reaktanz Xbc des Transistors induktiv ist. Während die Reaktanz Xbe immer kapazitiv ist, unabhängig von der Schwingungsfrequenz, hat die Reaktanz Xec eine Reihen-Resonanz-Kreisfrequenz W₁ und eine Parallel-Resonanz-Kreisfrequenz co₂, und die Reaktanz Xbc hat ebenfalls eine Reihen-Resonanz-Kreisfrequenz ω₃ und eine Parallel-Resonanz-Kreisfrequenz ω₄. Es sei angenommen, daß O)₁ <C ω₂ < ω₃ <C ω₄ ist. Eine Reihenschaltung der Reaktanzen Xbe, Xec und Xbc führt zu vier Resonanzfrequenzen ω₅, ω_β, Ct)₇ und CO₈, und die Schwingungs-Kreisfrequenz ω₀ des Oszillators 10 ist gleich der Reihen-Resonanz-Frequenz co₅ oder <u₇; und die Parallel-Resonanz-Frequenz ω₂ der Reaktanz Xec und die Parallel-Resonanz-Frequenz ω₄ der Reaktanz Xbc ist gleich den Parallel-Resonariz-Frequenzen ω₆ bzw. ω₈.

Die obigen Beziehungen lassen sich besser an Hand der Darstellung der F i g. 3 erläutern. In der Nähe vonco₅ ist die Reaktanz Xec induktiv, während die Reaktanz Xbc kapazitiv ist, so daß der Oszillator nicht mit den Schwingungen beginnen kann. In der Nähe von ω₇ ist die Reaktanz Xbc induktiv und die Reaktanz Xec kapazitiv, so daß der Oszillator mit seinen Schwingungen beginnt, wenn <w₀ gleich ω₇ geworden ist.

Es sei angenommen, daß die Fühlerelekrode 28 in einem Tank angeordnet ist, der geerdet ist und in dem das zu fühlende Material, beispielsweise Körner oder Pulver, gespeichert werden soll. Weil die Leitung 35, wie veranschaulicht, geerdet ist und weil die Leitungen 33 und 35 bei hohen Frequenzen' auf dem gleichen Potential liegen, ist die Kapazität der Elektrode 28 auf Grund des Vorhandenseins des Pulvers parallel zu der Reihenschaltung des Kondensators 22 und der Spule 24 und demzufolge parallel zum Kondensator 29 geschaltet.

Die Resonanzfrequenzen (O₁ bis ω₄ der Reaktanzen Xec und Xbc des Oszillators 10 und seine Schwingungsfrequenz O)₀ können auf beliebige Werte eingestellt werden, indem die die Reaktanzen bestimmenden Schaltungskonstanten entsprechend gewählt werden. Wenn dann ω₀ und ω₄ sehr dicht beieinander eingestellt worden sind, ergibt sich derjenige Teil der Reaktanzkurve der Reaktanz Xbc, der nahe ω_η und ω₄ liegt, in Form der vergrößert gezeichneten Darstellung der F i g. 4 a, mit einer entsprechenden Berück sichtigung der verschiedenen Verluste an den Spulen Widerständen usw.

Wenn die Höhe des Pulvers sich der Elektrode 21 nähert, wächst die Kapazität parallel zur Spule 24 an. so daß die Werte ω₃ und ω_Α und demzufolge ω₀ abnehmen. Je größer die Abnahme der Kapazität ist. um so größer ist die Abnahme dieser Werte.

Wenn die Schwingungsfrequenz ω_α abnimmt, wire die kapazitive Komponente der Reaktanz Xec bei <u_c kleiner. Dies wiederum führt dazu, daß ω₀ anwächst. Diese beiden Tendenzen kommen jedoch schließlich ins Gleichgewicht, worauf ω₀ und ω₄ zu ω₀' und ω₄' werden und die Frequenzkurve in die Lage der Fig.4b verschoben ist. Theoretisch ist diese verschobene Stellung diejenige der Parallelresonanz, und die Schwingung würde schon aufhören, bevor die Parallelresonanz erreicht war. Bei der praktischen Auslegung der Schaltungen jedoch kann das Q der Resonanzkreise nicht sehr groß sein. Deshalb werden beim weiteren Anwachsen der Kapazität parallel zur Spule 24, weil die Höhe des Pulvers dichter an die Elektrode herankommt, ω₄' und ω₀' weiter zu den Werten ω₄" und ω_?" verschoben, wie es Fig. 4c zeigt. Dann macht die Abnahme von ω_ι die induktive Komponente der Reaktanz Xbc kleiner, wodurch ω₀ größer wird, bis die Reaktanz von dem induktiven in den kapazitiven Zustand wechselt; im Augenblick vor dem Wechsel stoppt die Schwingung. Da die Änderung der Reaktanz Xbc in der Nähe seiner Parallel-Resonanz-Frequenz erfolgt, verursacht eine kleine Änderung der Schwingungsfrequenz, daß der Schwingungszustand fast im Sinne einer Schnappwirkung geändert wird, d. h., hier die Schwingungen unterbrochen werden.

- Wenn die Höhe des zu beobachtenden Pulvers von der Elektrode 28 fortwandert, kehrt die Schwingungsfrequenz CO₀ zu dem ursprünglichen Wert zurück, so daß die Schwingung wieder beginnt. Die Arbeitsempfindlichkeit der Vorrichtung · kann durch eine Änderung des Gleichgewichtspunktes zwischen der Abnahme der Schwingungsfrequenz ω₀ wegen der Annäherung eines zu beobachtenden Gegenstandes an die Elektrode 28 und der Zunahme von ω₀ wegen der Charakteristik der Reaktanz Xec geändert werden. Mit anderen Worten, die Empfindlichkeit kann durch eine Änderung der Kapazität des Einstellkondensators 16 geändert werden.

Wenn der zu beobachtende Gegenstand schon elektrostatisch geladen ist, ist es erforderlich, daß die Ladung an der Elektrode nicht über den Transistor 12 entladen werden kann. Zu diesem Zweck ist die Entladungsröhre 38 vorgesehen, die diese Ladung zur Erde abführen kann.

Die Ausgangsspannung des Oszillators 10 erscheint als Klemmenspannung an der Spule 40. Diese Spannung wird durch den Verstärker 44 verstärkt und durch den Einweggleichrichter 46 gleichgerichtet. Dann wird sie der Basis des Transistors 48 des Schaltkreises 50 zugeführt, worauf der Transistor 48 nichtleitend gemacht wird, so daß eine Spannung an den Klemmen 52 und 34 erscheint. Unter der Bedingung, daß der Oszillator seine Schwingungen unterbricht, wird der Transistor 48 leitend, so daß die Spännung an den Klemmen 52 und 34 abnimmt. Durch die Abnahme kann die Unterbrechung der Schwingung und demzufolge das Annähern eines Gegenstandes an die Elektrode festgestellt werden.

Die Schwingungsamplitude des Oszillators 10 hat die Tendenz abzunehmen, wenn die Kapazität der Elektrode 28 anwächst. Wenn die Anordnung so getroffen ist, daß, wenn die Kapazität auf einen vorbestimmten Wert angewachsen ist, die Schwingungsamplitude des Oszillators einen plötzlichen Abfall erleidet, wird die Schwingung des Oszillators mit einer

Schnappwirkung unterbrochen. Um dies zu verbessern, ist eine Reihenschaltung einer Halbleiterdiode 60 und eines Widerstandes 62 parallel zur Kopplungsspule 40 geschaltet.

In dem obigen Ausführungsbeispiel sind Transistoren als Schaltungselemente verwendet; sie können jedoch durch Vakuumröhren ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309 682/467

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Auslösung von Schaltvorgängen in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen mit einem Transistor-Oszillator, der eine Reaktanzschaltung mit einer Reihen- und einer Parallelresonanzfrequenz sowie eine Fühlerelektrode aufweist, deren Kapazität sich beim Annähern eines Gegenstands /ändert und dadurch eine sprungartige Änderung des Schwingungszustandes des Oszillators hervorruft, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator(10) ein Colpitts-Oszillator ist, dessen induktiver Zweig die Reaktanzschaltung. (24, 26, 28, 29) aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Fühlerelektrode (2,8) parallel zur Spule (24) des Reihenresonanzzweiges (24, 26) der Reaktanzschaltung liegt.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktanzschaltung zwischen Kollektor und Basis des Transistors (12) liegt, eine erste kapazitive Reaktanzschaltung (13) zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors liegt und eine zweite kapazitive Reaktanzschaltung, die aus der Parallelschaltung einer Spule (14) und eines Kondensators (16) und mit einem dieser Parallelschaltung in Reihe geschalteten Kondensator (20) besteht, zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (12) liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kopplungsspule (40) elek^ tromagnetisch mit der Spule (14) der zweiten Reaktanzschaltung verbunden ist, wobei die in der Kopplungsspule induzierte Spannung einer Anzeigevorrichtung zugeführt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine nichtlineare Diode (60) parallel zur Kopplungsspule (40) liegt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet¹, daß eine Entladungsröhre (38) mit niedriger Spannung zwischen die Fühlerelektrode (-28) und Erde geschalr tetist.·...