DE1623109C3 - Electronic proximity switch - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektronischen Näherungsinitiator mit mindestens einer Tastelektrode, welche an den Rückkopplungszweig eines Verstärkers angeschaltet ist.The invention relates to an electronic proximity switch with at least one touch electrode, which is connected to the feedback branch of an amplifier.

Bei einem bekannten Näherungsinitiator dieser Art (französische Patentschrift 1 436 069) ist eine kapazitive Tastelektrode an den Eingang eines Transistorverstärkers angeschaltet. Ist eine Gegenelektrode vorhanden, dann liegt diese an Massepotential. Ist keine Gegenelektrode vorhanden, dann muß der Gegenstand, dessen Anwesenheit angezeigt werden soll, an eine vom Verstärkerausgang kommende Rückkopplungsleitung angeschlossen werden. Die Rückkopplung bewirkt, daß der Verstärker schwingt, wenn sich ein Gegenstand im Bereich des Eingangskondensators befindet. Bei einer solchen Schaltung sind die Verhältnisse, bei denen die Schwingung einsetzt, stark von den jeweils verwendeten Bauelementen und Schaltungskapazitäten abhängig, die durch den räumlichen Aufbau des Verstärkers entstehen.In a known proximity initiator of this type (French patent specification 1 436 069) is a capacitive Probe electrode connected to the input of a transistor amplifier. Is a counter electrode present, then this is at ground potential. If there is no counter electrode, then it must Object whose presence is to be displayed to an object coming from the amplifier output Feedback line can be connected. The feedback causes the amplifier to oscillate, when there is an object in the area of the input capacitor. With such a circuit the conditions at which the oscillation begins are heavily dependent on the components used in each case and circuit capacitances that arise from the spatial structure of the amplifier.

Bei einem weiteren bekannten mit Wechselspannungsrückkopplung arbeitenden Anwesenheitsdetektor (deutsche Auslegeschrift 1246137) wird zwischen der ersten und der zweiten Verstärkerstufe ein Schwingquarz eingesetzt. In der zweiten Verstärkerstufe ist ein Resonanzschwingkreis vorgesehen, der auf die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes abgeglichen ist, und dessen Induktivität über eine Meßschleife, die den zu erkennenden Gegenstand wahrnimmt, verstimmt wird. Der Ausgang einer dritten Verstärkerstufe ist über eine /iC-Reihenschaltung auf den Eingang der ersten Verstärkerstufe rückgekoppelt. Bei einem derartigen Anwesenheitsdetektor wird das Einsetzen und Abreißen der Schwingung durch die gegenseitige Zuordnung von Schwingquarz und Resonanzkreis bestimmt. Die Rückkopplung, die im übrigen eine Mitkopplung ist, liefert nicht das entscheidende Kriterium dafür, wann die Schwingung einsetzt bzw. abreißt.In a further known presence detector operating with AC voltage feedback (German Auslegeschrift 1246137) is a between the first and the second amplifier stage Quartz oscillator used. A resonance circuit is provided in the second amplifier stage, the is adjusted to the resonance frequency of the quartz crystal and its inductance via a measuring loop, who perceives the object to be recognized is out of tune. The outcome of a third The amplifier stage is connected via an / iC series connection fed back to the input of the first amplifier stage. With such a presence detector the onset and breakdown of the oscillation is due to the mutual assignment of quartz oscillators and resonance circuit determined. The feedback, which by the way is positive feedback, does not provide that decisive criterion for when the oscillation starts or stops.

Aus der gleichen Druckschrift ist es in anderem Zusammenhang bekannt, in einem Verstärker eine Rückkopplung mit einer Wien-Robinson-Brücke vorzusehen, um einen Oszillator aufzubauen.From the same document it is known in another context, in an amplifier Provide feedback with a Wien-Robinson bridge to set up an oscillator.

Andere bekannte Näherungsinitiatoren arbeiten mit Schwingkreisen an Stelle rückgekoppelter Verstärker. Sie benötigen hochwertige Spulen zur Erzielung hoher Schwingkreisgüten, wenn eine scharfe Unterscheidung zwischen Ein- und Auszustand erzielt werden soll. 'Other known proximity switches work with resonant circuits instead of feedback amplifiers. You need high-quality coils to achieve high resonant circuit quality, if a sharp one Differentiation between on and off is to be achieved. '

Weiterhin ist es bekannt, eine Brückenschaltung in Verbindung mit einem Sensor oder Näherungsinitiator zu verwenden (USA.-Patentschrift 3 230 519). Der Sensor enthält dabei jedoch keine aktiven Verstärkungselemente. Die Brückenschaltung wird lediglich durch Einfügen des zu erkennenden Mediums verstimmt.It is also known to use a bridge circuit in conjunction with a sensor or proximity initiator (US Pat. No. 3,230,519). However, the sensor does not contain any active reinforcement elements. The bridge circuit is merely detuned by inserting the medium to be recognized.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen zuverlässigen Näherungsinitiator zu schallen, bei dem eine exakte und scharfe Schwelle zwischen Ein- und Auszustand existiert, ohne daß hochwertige Induktivitäten od. dgl. verwendet werden müssen.The object of the invention is to sound a reliable proximity initiator in which an exact and there is a sharp threshold between on and off without high-quality inductors or the like. must be used.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß konstruiert, daß bei einem Näherungsinitiator der eingangs genannten Art im Gegenkopplungszweig des Verstärkers ein Doppel-T-i^C-Vierpol liegt, und daß die Tastelektrode an einen Verzweigungspunkt des Doppel-T-ftC-Vierpols angeschaltet ist.To solve this problem it is constructed according to the invention that with a proximity initiator the type mentioned in the negative feedback branch of the amplifier is a double T-i ^ C quadrupole, and that the probe electrode is connected to a junction point of the double-T-ftC quadrupole.

Doppel-T-ZiC-Vierpole sind in Form von Filterschaltungen bekannt (A. E. Ü., 14 [1960], 7, S. 317 bis 324). Es handelt sich um Brückenschaltungen, ■ die bei der Sperrfrequenz eine Spannungsübersetzung von Null haben. Ändert sich eine Kapazität, so ändert sich auch die Spannungsübersetzung nach Phase und Betrag.Double-T-ZiC quadrupoles are in the form of filter circuits known (A. E. Ü., 14 [1960], 7, pp. 317 to 324). These are bridge circuits, ■ which have a voltage translation of zero at the blocking frequency. If a capacity changes, it changes the voltage translation according to phase and amount.

Diese Eigenschaften des Doppel-T-ftC-Vierpols werden nach der Erfindung bei einem Näherungsinitiator ausgenutzt, um eine scharfe Schaltschwelle zu erhalten. Da der Vierpol hier im Gegenkopplungszweig eines Verstärkers liegt, erhält man bei kleinen Kapazitätsänderungen am Vierpol große Änderungen der Güte und Resonanzfrequenz. Bei bestimmter Dimensionierung des Vierpols und des Verstärkungsfaktors erregt sich die Schaltung selbst und kann zur Anzeige eines bestimmten Betriebszustandes verwendet werden.These properties of the double-T-ftC quadrupole are used according to the invention in a proximity switch to a sharp switching threshold to obtain. Since the quadrupole is in the negative feedback branch of an amplifier, one obtains with small ones Changes in capacitance at the quadrupole, large changes in quality and resonance frequency. With certain Dimensioning the quadrupole and the gain factor excites the circuit itself and can be used to Display of a certain operating status can be used.

Kapazitätsänderungen an dem Vierpol sind wirksamer und einfacher zu erkennen, wenn die aktive Filterschaltung selbst schwingt. Dies wird dadurch erreicht, daß aus der Ausgangsspannung der aktiven Filterschaltung eine zu einer Trapez- oder Rechteckfunktion begrenzte Amplitude gewonnen wird und diese nach entsprechender Phasendrehung mit so großem Wert auf den Eingang des Verstärkers mitgekoppelt wird, daß der Verstärker sich selbst erregtChanges in capacitance at the quadrupole are more effective and easier to recognize when the active Filter circuit itself oscillates. This is achieved in that from the output voltage of the active Filter circuit an amplitude limited to a trapezoidal or rectangular function is obtained and this is coupled to the input of the amplifier after a corresponding phase shift with such a large value will cause the amplifier to excite itself

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und innerhalb seines linearen Aussteuerbereiches, der gleichzeitig als Begrenzer arbeitet. Der Knoten-and within its linear control range, which also works as a limiter. The knot-

also unterhalb der Aussteuergrenze, betrieben wird. punkt von C₁, C₂, R₃ ist mit B bezeichnet.is operated below the control limit. point of C ₁ , C ₂ , R ₃ is denoted by B.

Kapazitätsänderungen an einem Widerstand oder Tab. 1 zeigt die Einflußmöglichkeit eines Kapazi-Kondensator des Vierpols haben sowohl Eigenfre- tätszuwachses an den Widerständen R₁, R₂, R₃ und quenzänderungen als auch Änderungen der Span- 5 den Kondensatoren C₁, C₂, C₃ auf Frequenz und nungsübersetzung des Vierpols, d. h. der Güte bzw. Güte. Die Frequenz wird stets größer und die Güte der Amplitude, zur Folge. Die Nähe des Mediums kleiner, bis auf C₃, an dem bei einem Kapazitätsist also sowohl durch die Resonanzfrequenz als auch Zuwachs eine Güteerhöhung auftritt,
durch die Amplitude zu kennzeichnen. Denkt man sich die Mitkopplung über Bp und dieChanges in capacitance at a resistor or Tab. 1 shows the possibility of influencing a capacitance capacitor of the quadrupole have both an increase in natural frequency at the resistors R ₁ , R ₂ , R ₃ and changes in frequency as well as changes in the voltage capacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ on the frequency and voltage translation of the quadrupole, ie the quality or quality. The frequency increases and the quality of the amplitude increases. The proximity of the medium is smaller, except for C ₃ , at which an increase in quality occurs in the case of a capacitance
to be characterized by the amplitude. If you think of the positive feedback via Bp and the

Das Medium, auf das der Näherungsinitiator an- io Elektrode E₂ vorerst nicht vorhanden, und nähert spricht, kann ein Nichtleiter mit einer bestimmten sich die Elektrode E₀ der Elektrode E₁, so vergrößert Dielektrizitätskonstanten sein, die eine Vierpolkapa- sich der Kondensator C₃. Wie T a b. 1 zeigt, steigt zität erhöht oder auch ein Leiter. die Güte des aktiven Filters, bis schließlich Selbst-Ist das Medium leitend, und führt es selbst das erregung auftritt. Damit ist die Nähe von E₀ binär Potential eines Punktes des Vierpols, so ist an dem 15 gekennzeichnet. An K₂ kann die selbsterregte Schwin-Vierpol nur eine Elektrode erforderlich. gung entnommen werden.The medium to which the proximity initiator an- io electrode E ₂ does not exist for the time being, and approaches, can be a non-conductor with a certain _{dielectric constant that increases the electrode E 0 of} the electrode E ₁ , which has a four-pole capacitance ₃ . Like T a b. 1 shows increases rate increases or a ladder. the quality of the active filter until finally the medium itself is conductive, and does it itself lead to the occurrence of excitation. This means that the vicinity of E _{0 is the} binary potential of a point of the quadrupole, as indicated by 15. The self-excited quadrupole can only require one electrode at K _2. can be removed.

Das leitende Medium liegt meistens, eventuell Liegt nun der Elektrode .E₁ noch die Elektrode E₂ The conductive medium is mostly in place, possibly electrode E ₁ still lies in place with electrode E ₂

schon durch kapazitive Erdung, auf Nullpotential. gegenüber, so wird die Güte der Filterschaltung ver-already through capacitive grounding, to zero potential. opposite, the quality of the filter circuit is

Nullpotential führen Querwiderstand und Querkon- kleinert, da eine Kapazität parallel R₂ wirksam istCross resistance and cross decrease lead to zero potential, since a capacitance is effective in parallel with R ₂

densator des Vierpols gemeinsam. Legt man dann 20 (_s. Tab. 1). Die Elektrode E₀ nähert sich dem Feldcapacitor of the quadrupole common. If you place 20 ( _see Tab. 1). The electrode E ₀ approaches the field

parallel an einen der Längswiderstände, vorzugsweise zwischen E₁ und E₉, trennt den dämpfenden Kon-parallel to one of the series resistances, preferably between E ₁ and E ₉ , separates the damping contact

an den, auf dessen Seite niederohmig eingespeist densator parallel zu R₀ auf und bildet einen Konden-to the capacitor, fed in with low resistance, parallel to R ₀ and forms a condenser

wird, ein Elektrodenpaar, so bilden sich zwischen sator parallel C₃, der zu einer Güteerhöhung bis zuris, a pair of electrodes, so form between sator parallel C ₃ , which leads to an increase in quality up to

den Elektroden elektrische Feldlinien aus. Solch ein Selbsterregung führt.electric field lines from the electrodes. Such a self-excitement leads.

Kondensator, parallel zu einem Längswiderstand, 25 Die Güte- und Eigenfrequenzänderungen, bevor wirkt dämpfend auf die selektive Verstärkerschal- sich die selbsterregte Schwingung aufschaukelt, tung. Nähert sich das Nullpotential führende Medium könnte zur analogen Abstandsmessung durch Messen den Feldlinien zwischen den Elektroden, so wird der der Ausgangsspannung u_a an K₂ verwandt werden, dämpfende Kondensator verkleinert, da dann Feld- Dem Eingang K₁ müßte dann eine Generatorspanlinien unterbrochen werden. Gleichzeitig aber bauen 3° nung zugeführt werden. Doch ist es einfacher, die sich Feldlinien parallel zum Querkondensator auf, Schaltung selbst schwingen zu lassen. Zu diesem der ja auf einer Seite das Nullpotential besitzt. Zweck wird der Eingang K₁ des Verstärkers vom Der Querkondensator wird also vergrößert. Eine Ausgang K₉ über Bp mitgekoppelt. Bp begrenzt Vergrößerung des Querkondensators führt aber zu gleichzeitig "die K₁ zugeführte Amplitude. Die Schaleiner Entdämpfung. Die entdämpfende Wirkung 35 tung schwingt daher mit einer bestimmten Amplitude durch Verkleinern des dämpfenden Kondensators an im linearen Bereich auf einer definierten Frequenz, dem Längswiderstand und gleichzeitig Vergrößerung Nähert sich dann E₀ der Elektrode E₁, so ändern des entdämpften Querkondensators führt zu steilen sich sowohl die selbsterregte Frequenz als auch die elektrischen Änderungen bei nur kleinen Wegände- Amplitude, und beide stellen ein Maß für die Nähe rungen des Mediums. 4° von E₀ dar.Capacitor, parallel to a series resistance, 25 The quality and natural frequency changes before the selective amplifier switch has a dampening effect, the self-excited oscillation builds up. Approaches the zero potential leading medium could for analog distance measurement by measuring the field lines between the electrodes, the output voltage u _a K ₂ is used, damping capacitor can be reduced since then field to the input K ₁ would then have a generator tension lines are interrupted. At the same time, however, building 3 ° can be supplied. But it is easier to let the field lines oscillate parallel to the shunt capacitor on the circuit itself. To this one who has zero potential on one side. The purpose is the input K _{1 of} the amplifier from The shunt capacitor is increased. An output K ₉ coupled via Bp. Bp limits enlargement of the shunt capacitor but leads to "the amplitude supplied to K ₁ at the same time. The sound of a de-attenuation. The de-attenuating effect therefore oscillates with a certain amplitude by reducing the attenuating capacitor in the linear range at a defined frequency, the series resistance and at the same time enlargement If E ₀ then approaches electrode E ₁ , the change in the undamped shunt capacitor leads to both the self-excited frequency and the electrical changes with only small changes in the amplitude, and both represent a measure of the proximity of the medium. 4 ° from E ₀ represents.

An jedem Widerstand oder Kondensator des Vier- Würde E₀ an B angeschlossen sein und die Elek-On every resistor or capacitor of the four, E _{0 would be connected} to B and the elec-

pols lassen sich durch Kapazitätsänderung Frequenz- trode E₀ zwischen E₁ und E₂ liegen, so wären kleinepols can be between E ₁ and E ₂ by changing the capacitance of the frequency trode E ₀ , so they would be small

und Amplitudenänderungen erzielen. Daher können seitliche Abweichungen von E₀ sehr genau zu messen,and achieve amplitude changes. Therefore, lateral deviations from E ₀ can be measured very precisely,

mehrere Kondensator-Elektroden-Anordnungen an- Eine Näherung von E₀ an E₁ erhöht nämlich dieseveral capacitor-electrode arrangements to- An approximation of E ₀ to E ₁ increases namely

gebracht werden, die durch ein oder mehrere Medien 45 Güte, und eine Näherung an E₂ verkleinert sie.brought about by one or more mediums 45 goodness, and an approximation to E ₂ makes them smaller.

beeinflußt werden. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehento be influenced. The advantages achieved by the invention exist

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der insbesondere darin, daß der Doppel-T-ÄC-VierpolAn embodiment of the invention is in particular that the double-T-ÄC quadrupole

Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher es gestattet, an sechs Bauelemente, das sind dreiDrawing shown and will be allowed in the following to six components, that is three

beschrieben: In Bild 1 ist der Doppel-T-ÄC-Vierpol, Widerstände und drei Kondensatoren, verschiedenedescribed: In picture 1 the double T-ÄC quadrupole, resistors and three capacitors, is different

bestehend aus den Widerständen Ju₁, R₂, R₃ und den 5° Variationen von kapazitiven Näherungseinflüssenconsisting of the resistors Ju ₁ , R ₂ , R ₃ and the 5 ° variations of capacitive proximity influences

Kondensatoren C₁, C₂, C₃ eingesetzt und an das Null- auszuüben. Die Änderungen werden durch FrequenzCapacitors C ₁ , C ₂ , C ₃ are used and to exercise zero. The changes are due to frequency

potential angeschlossen. Der Vierpol liegt im Gegen- und Amplitude gekennzeichnet. Je nach Wahl derpotential connected. The quadrupole is marked in the opposite and amplitude. Depending on the choice of

kopplungszweig eines Verstärkers Vs, der die Ein- Widerstände und Kondensatoren des Vierpols kannCoupling branch of an amplifier Vs, which can use the on-resistors and capacitors of the quadrupole

gangsspannung u_e an der Klemme K₁ auf u_a an der das sich nähernde Medium hoch- oder niederohmigoutput voltage u _e at terminal K ₁ to u _a at which the approaching medium has high or low resistance

Klemme K₂ verstärkt und die Phase um 180° dreht. ₅₅ sein. Die Elektrodenanordnungen lassen sich beliebigReinforced terminal K ₂ and rotates the phase by 180 °. Be _55. The electrode arrangements can be as desired

Eine Kondensatorelektrode E₁ ist an C₃ am Knoten- formen, so daß große und kleine NäherungsabständeA capacitor electrode E ₁ is at _{the node form at C 3} , so that large and small approximate distances

punkt A angeschlossen. Ihr nähert sich die Elektrode und verschiedene Näherungswege gewählt werdenpoint A connected. The electrode approaches her and various approaches can be selected

E₀, die Nullpotential besitzt. können. Selbst kleinste Entfernungen können mitE ₀ , which has zero potential. be able. Even the smallest distances can with

Eine weitere Elektrode E₂ kann gegenüber von E₁ Hilfe von einem Elektrodenpaar parallel zu R₂ gean K₂ liegen. Zwischen K₁ und K₂ kann ein mitkop- 60 messen werden. Der Schaltungsaufwand ist sehrA further electrode E ₂ can lie opposite E _{1 with the} aid of a pair of electrodes parallel to R ₂ and K _2. A mitkop- 60 can be measured between K ₁ and K _2. The circuit complexity is very high

pelnder Zweipol oder Vierpol B₁, angebracht werden, gering.peeling two-pole or four-pole B ₁ , are attached, low.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Elektronischer Näherungsinitiator mit mindestens einer Tastelektrode, welche an den Rückkopplungszvveig eines Verstärkers angeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Gegenkopplungszweig des Verstärkers (Vs) ein Doppel-T-ftC-Vierpol liegt und daß die Tastelektrode (E₁) an einen Verzweigungspunkt (A) des Doppel-T-fiC-Vierpols angeschaltet ist.1. Electronic proximity switch with at least one touch electrode which is connected to the feedback branch of an amplifier, characterized in that a double-T-ftC quadrupole is located in the negative feedback branch of the amplifier (Vs) _{and that the probe electrode (E 1} ) is connected to a branch point ( A) of the double-T-fiC quadrupole is switched on. 2. Elektronischer Näherungsinitiator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastelektrode (E₁) zusammen mit einer weiteren Elektrode (E.,) einen Meßkondensator bildet, der einem der Bauelemente des Doppel-T-/?C-Vierpols parallel geschaltet ist.2. Electronic proximity switch according to claim 1, characterized in that the touch electrode (E ₁ ) together with a further electrode (E.,) forms a measuring capacitor which is connected in parallel to one of the components of the double-T /? C quadrupole. 3. Elektronischer Näherungsinitiator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkondensator (E₁, E₂) einem Längswiderstand (R.,) des Doppel-T-ÄC-Vierpols parallel geschaltet ist, daß die beiden Elektroden (E₁, E₂) des Meßkondensators derart angeordnet sind, daß ein mit dem Näherungsinitiator zu erkennendes Medium in ihr elektrisches Feld einführbar ist, und daß Mittel vorgesehen sind, um das Medium direkt oder kapazitiv mit Erdpotential zu verbinden.3. Electronic proximity switch according to claim 2, characterized in that the measuring capacitor (E ₁ , E ₂ ) a series resistor (R.,) of the double-T-ÄC four-pole is connected in parallel that the two electrodes (E ₁ , E ₂ ) of the measuring capacitor are arranged in such a way that a medium to be recognized by the proximity switch can be introduced into its electrical field, and that means are provided to connect the medium directly or capacitively to earth potential. 4. Elektronischer Näherungsinitiator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (K.,) des Verstärkers (Vs) über einen Begrenzer (Bp) mit dem Verstärkereingang (K₁) im Sinn einer Mitkopplung verbunden ist und daß die Begrenzerspannung so gewählt ist, daß der Verstärker nur im linearen Bereich seiner Kennlinie betrieben wird.4. Electronic proximity switch according to claim 1 or 2, characterized in that the output (K.,) of the amplifier (Vs) is connected via a limiter (Bp) to the amplifier input (K ₁ ) in the sense of positive feedback and that the limiter voltage is so it is selected that the amplifier is only operated in the linear range of its characteristic curve.