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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Näherungssensor mit
Fehlererkennung mit einem elektrischen Ausgang und einer am elektrischen
Ausgang angeordneten Schaltereinrichtung, welche mindestens zwei
berührungslos betätigbare Schalter aufweist.
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Bei
derartigen Näherungssensoren handelt es sich um eine bestimmte
Kategorie von Sensoren, die auf eine Annäherung, das heißt
ohne direkten Kontakt, berührungsfrei reagieren. Die Funktionsweise
dieser Sensoren basiert darauf, daß bei Annäherung
eines entsprechenden Gegenstands der Kontakt des Schalters berührungslos
geschlossen oder geöffnet wird. Der Zustand der verwendeten
Schalter des Sensors kann durch Abgreifen eines elektrischen Signals
am Ausgang des Sensors bestimmt bzw. ausgewertet werden. Ein Anwendungsgebiet
findet sich bei der Implementierung von Sicherheitsvorkehrungen
für Tore und insbesondere bei der Verwendung von Schlüpftüren.
Solche Schlüpftüren in Toren verschaffen Personen
einen Durchgang durch Tore, ohne daß hierfür das
komplette Tor geöffnet werden muß. Bei einem Tor,
das mit einem Antrieb ausgestattet ist, muss sichergestellt werden,
daß der Torantrieb nicht eingeschaltet werden kann, sobald
die Schlupftür geöffnet ist. Zur Verriegelung
des Antriebs werden nun oben genannte Näherungssensoren
eingesetzt, die den Zustand der Schlüpftür überwachen.
Aus sicherheitstechnischen Gründen stellt sich gerade im genannten
Anwendungsgebiet die Anforderung, die Fehlfunktion der Näherungssensoren
auf ein Minimum zu beschränken so daß durch einen
unbemerkten Ausfall des Näherungssensors keine gefahrvolle Situation
entstehen kann. Leider unterliegen die einzelnen Bauelemente der
Näherungssensoren mechanischen als auch elektrischen Verschleißerscheinungen,
die zu einem Fehlverhalten des Sensors und somit des Torantriebs
führen. Eine fehlerhafte Interpretation des Schlupftürzustands
durch die Torantriebssteuerung kann somit zu erheblichen Sach- oder
Personenschäden führen, weshalb der Einsatz redundanter
Schaltungselemente zur Minimierung des dargestellten Sicherheitsrisikos
als äußerst zwingend erscheint.
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Die
DE 89 06 151 beschreibt
einen derartigen Sensor. Zur Erhöhung der Ausfallsicherheit
werden zwei Schalter (magnetische Reed-Kontakte) in Reihe geschaltet.
Der doppelte Aufbau ist mit dem Nachteil einer sogenannten passiven
Redundanz behaftet. Der Ausfall eines der Sensoren, das heißt
ein verschweißter, permanent im Ein-Zustand befindlicher
Kontakt, kann somit nicht detektiert werden.
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Der
Näherungssensor gemäß der
DE 20 2006 001 941 U1 stellt
eine verbesserte Lösung zur Erhöhung der Ausfallsicherheit
dar. Der beschriebene Sensor ist in der Lage fehlerhafte Zustände
der beiden Kontakte durch die auswertende Torsteuerung meßtechnisch
zu erkennen. Jedoch kann in diesem Schaltungsaufbau der Bauteileausfall,
der zum Einsatz kommenden Widerstände oder Halbleiter nicht
erfaßt werden. Zudem ist Kabelschluß in der Zuleitung
zu dem Sensor nicht detektierbar.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine besonders sichere
schaltungstechnische Realisierung eines solchen Näherungssensors aufzuzeigen,
der über die Detektion defekter Schaltelemente hinaus auch
bei einem Ausfall weiterer verwendeter Bauteile, sowie bei Auftreten
von Kabelbruch bzw -schluß, einer erfolgreiche Fehlererkennung
stellen kann.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach besteht ein solcher Näherungssensor mit Fehlererkennung
aus einem elektrischen Ausgang und einer am elektrischen Ausgang
angeordneten Schaltereinrichtung, welche mindestens zwei berührungslos
betätigbare Schalter aufweist, wobei mindestens zwei berührungslos
betätigbare Schalter parallel zueinander angeordnet sind
und jeweils zu einem berührungslos betätigbaren
Schalter eine Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet ist.
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Durch
die beschriebene Schaltungsanordnung des erfindungsgemäßen
Sensors, bei dem ein berührungslos betätigbarer
Schalter mit einer definierten Schaltungsanordnung in Reihe geschaltet
ist und dieser Reihenschaltung mindestens eine weitere Reihenschaltung
dieser Art parallel geschaltet ist, wird es nun ermöglicht,
den Ausfall eines verwendeten Schalters oder eines Bauelements der
in Reihe zu den Schaltern geschalteten Schaltungsanordnung zu erfassen.
Ebenso kann ein Kabelbruch oder Kabelschluß in der Zuleitung
des Näherungssensors detektiert werden. Mit Hilfe eines
geeigneten Mittels wird zuerst ein Meßsignal am Ausgang
des Sensors meßtechnisch erfaßt und im Anschluß ausgewertet. Durch
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung des Näherungssensors
läßt die Auswertung der Meßsignale Rückschlüsse
auf diverse Zustände des Sensors zu, die einen fehlerfrei
funktionierenden geöffneten oder geschlossenen Schalter,
einen Ausfall eines Schaltkontaktes bzw. eines Bauelements der in Reihe
geschalteten Schaltungsanordnung oder einen Kabelschluß bzw.
-bruch umfassen können.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Unteransprüchen.
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Vorteilhafterweise
ist der ohmsche Widerstand des Näherungssensors meßtechnisch
am Ausgang des Näherungssensors erfaßbar. Durch
eine geeignete Vorrichtung wird der ohmsche Widerstand des Näherungssensors
an seinem Ausgang bestimmt. Der gemessene Widerstand ist abhängig
von der jeweiligen Schalterstellung (alle Schalter geöffnet bzw.
geschlossen) der berührungslos betätigbaren Schalter.
Ebenfalls variieren die Meßwerte für eine Fehlstellung
der einzelnen Schalter, beispielsweise unterschiedliche Schalterstellung
der eingesetzten Schalter, sowie bei Ausfällen einzelner
Bauteile der in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen und bei Auftreten
von Kabelbruch oder Kabelschluß. Damit sind anhand der
im einzelnen ermittelten Werte für den ohmschen Widerstand
des Sensors auftretende Ereignisse präzise bestimmbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Näherungssensors umfaßt wenigstens eine in Reihe
geschaltete Schaltungsanordnung einen oder mehrere ohmsche Widerstände.
Der ohmsche Widerstand kann dabei das einzige Bauelement der Schaltungsanordnung
sein, jedoch kann der ohmsche Widerstand auch mit weiteren geeigneten
Bauelementen kombiniert werden.
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Denkbar
ist, dass die in Reihe geschaltete Schaltungsanordnung wenigstens
einen Halbleiter umfaßt. Hierbei gilt ebenfalls, dass der
Halbleiter mit weiteren geeigneten Bauelementen kombiniert wird oder
die Schaltungsanordnung nur einen einzigen Halbleiter umfaßt.
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In
weiterhin vorteilhafterweise umfaßt der Näherungssensor
genau zwei berührungslos betätigbare Schalter
und die jeweils in Reihe zu einem berührungslos betätigbaren
Schalter geschaltete Schaltungsanordnung weist genau einen ohmschen
Widerstand oder Halbleiter auf.
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Vorteilhafterweise
sind die in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen symmetrisch
zueinander, das heißt die einzelnen den berührungslos
betätigbaren Schaltern in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen
umfassen die gleiche Anzahl an Bauelementen mit identischen Eigenschaften.
Dabei kann es zweckmäßig sein, dass die verwendeten
berührungslos betätigbaren Schalter ebenfalls
identische Eigenschaften aufweisen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind am Ausgang
des Näherungssensors in Abhängigkeit der Schalterstellung
drei elektrische Zustände aus gebbar. Dabei signalisieren
die drei elektrischen Zustände jeweils eine offene Schalterstellung,
eine geschlossene Schalterstellung und ein Fehlverhalten des Näherungssensors.
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In
weiterhin vorteilhafterweise sind am Ausgang des Näherungssensors
in Abhängigkeit der Schalterstellung vier elektrische Zustände
ausgebbar. Die ersten beiden elektrischen Zustände signalisieren
hierbei ebenfalls eine offene bzw. geschlossene Schalterstellung.
Die elektrischen Zustände 3 und 4 erlauben eine feinere
Unterteilung des Fehlverhaltens des Näherungssensors und
lassen damit eine breitere Fehlerdiagnose zu.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sehen die berührungslos
betätigbaren Schalter einen Magnetschalter vor. Ein derartiger
Magnetschalter weist die Eigenschaften auf, daß bei Annäherung
eines Magneten, beispielsweise eines Permanentmagneten, der Schalter
von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand wechselt. Denkbar
ist auch ein Zustandswechsel in umgekehrter Richtung bei Annäherung
eines Magneten. Die Distanz zwischen Magnet und Schalter, bei der
ein Zustandswechsel des Schalters erfolgt, hängt in erster
Linie von der magnetischen Kraft des Magneten ab.
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Ein
Ausführungsbeispiel für einen derartigen Magnetschalter,
stellt ein Reed-Kontakt dar. Reed-Schaltkontakte sind unter Vakuum
oder Schutzgas in einem Glaskolben eingeschmolzene Kontaktzungen,
die zugleich die Kontaktfeder und den Magnetanker bilden. Die Kontaktbetätigung
erfolgt durch ein von außen auswirkendes Magnetfeld, wodurch
sich beide Kontaktzungen anziehen und somit die Schaltung schließen.
Sobald das Magnetfeld eine bestimmte Kraft unterschreitet, öffnet
sich der Kontakt aufgrund der Federwirkung.
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Eine
weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Näherungssensors
ist dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungssensor
ein Mittel zur Erzeugung bzw. meßtechnischen Erfassung
eines bestimmten elektrischen Signals am Ausgang umfaßt, wenn
nicht alle berührungslos betätigbaren Schalter vollständig
geschlossen oder geöffnet sind. Das entsprechende Mittel
kann eine nach dem Stand der Technik bekannte multimeterähnliche
Vorrichtung zur Messung des ohmschen Widerstandes zwischen zwei
Meßpunkten sein. Die genannte Meßvorrichtung wird
an den zwei Kontakten des Ausgangs des Näherungssensors
angeschlossen und mißt den jeweils anliegenden ohmschen
Widerstand zwischen diesen beiden Meßpunkten. Bei einer
fehlerlosen Funktion des Näherungssensors ergeben sich
beispielsweise zwei unterschiedliche vordefinierte Meßwerte
für einen offenen bzw. geschlossenen Zustand der Schalter.
Nehmen diese genannten Schalter jedoch aufgrund einer Fehlfunktion
unterschiedliche Zustände ein, so weichen die Meßwerte
von den vordefinierten Werten ab und es kann auf eine Fehlfunktion
des Sensors geschlossen werden.
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Vorzugsweise
kann anhand des oben genannten Mittels ebenfalls eine Fehlfunktion
der jeweiligen in Reihe geschalteten Schaltungsanordnung detektiert
werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der fehlerhaften
Bauteile der in Reihe geschalteten Schaltungsanordnungen keinerlei
Einfluß auf die erfolgreiche Fehlerdetektion hat, das heißt
die Wirkung und damit die Detektion eines fehlerhaften Bauelements
kann nicht durch ein weiteres fehlerhaftes Bauelement aufgehoben
werden.
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In
weiterhin vorteilhafterweise kann durch oben genanntes Mittel ein
bestimmtes elektrisches Signal erfaßt werden, falls die
Verschaltung des Näherungssensors einen Kabelschluß oder
Kabelbruch aufweißt. Insbesondere kann ein Kabelschluß bzw. Kabelbruch
in der Zuleitung zu dem Sensor erfaßt werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Näherungssensor nach einem der oben genannten
Ausgestaltungen zur Überwachung des Zustands eines Schlüpftores
verwendet. Beispielsweise wird der erfindungsgemäße
Sensor am Rahmen der Schlüpftür angeordnet und
das sensorisch zu erfassende Objekt, insbesondere ein Magnet bei
einem verwendeten Reed-Kontakt, an der Schlüpftür
selbst angebracht. Die Annäherung des Magneten an den erfindungsgemäßen
Sensor, das heißt das Schließen der Schlüpftür,
bewirkt somit einen Zustandswechsel der verwendeten berührungslos
betätigbaren Schalter.
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Weiterhin
vorteilhafterweise umfasst die vorliegende Erfindung eine Steuerung
für einen Antrieb eines Tores der einen Näherungssensor
gemäß den oben beschriebenen Merkmalen aufweist,
wobei die Steuerung in Abhängigkeit der vom Näherungssensor übermittelten
Daten eine sicherheitsrelevante Regelung des Torantriebs vorsieht.
Eine derartige Steuerung bewirkt eine Verriegelung des Antriebs, falls
der eingesetzte Näherungssensor einen geöffneten
Zustand der Schlüpftür signalisiert und gibt den Antrieb
frei, falls die genannte Schlüpftür geschlossen
wird bzw. ist. Ebenfalls ist die genannte Steuerung sicherheitstechnisch
so ausgelegt, daß durch einen unbemerkten Ausfall des Sensors
keine gefahrvolle Situation entstehen kann, das heißt wird
von der Steuerung ein Ausfall des Sensors erkannt, so kann der Torantrieb
in einer ersten Möglichkeit außer Betrieb gesetzt
werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand von einem Ausführungsbeispiel
sowie Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1:
ein Schaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Näherungssensors mit zwei berührungslos betätigbaren
Kontakten und
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2:
eine Fehlertabelle mit der für die auswertende Steuerung
aufgeführten wichtigen Zustände.
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1 zeigt
das Schaltungsbild einer Ausgestaltungsmöglichkeit des
erfindungsgemäßen Näherungssensors. Der
Näherungssensor weist die beiden Kontaktanschlüsse 7, 8 auf,
an die ein geeignetes Meßgerät angeschlossen werden
kann, um ein bestimmtes Signal S meßtechnisch zu erfassen.
Im Detail weist der Näherungssensor zwei berührungslos
betätigbare Schalter S1, S2 auf, die jeweils mit ihren
Kontaktanschlüssen 1 und 3 in Reihe mit
einer Schaltungsanordnung verschaltet sind.
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Im
Beispiel der Ausführungsform aus 1 bestehen
die beiden Schaltungsanordnungen aus einfachen ohmschen Widerständen
R1, R2, die mit den Kontaktanschlüssen 1, 3 verbunden
sind. Die beiden Reihenschaltungen, bestehend aus den Widerständen
R1 und dem Schalter S1 sowie dem Widerstand R2 und dem Schalter
S2 werden in den beiden Verbindungspunkten 5, 6 zu
einer Parallelschaltung verschaltet.
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In
Abhängigkeit der Stellung der beiden Schalter S1, S2 kann
nun an den beiden Kontakten 7, 8 ein Signal S
abgegriffen werden, welches im Anschluß von einer nicht
dargestellten Steuerung ausgewertet wird.
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In
einem Ausführungsbeispiel wird der Näherungssensor
aus 1 in einem Schlupftürrahmen eines Tores
angebracht. Die beiden Schalter S1, S2 sind in diesem Beispiel als
Reed-Kontakte ausgebildet und an der Kante einer Schlüpftür
wird ein Permanentmagnet angeordnet. Durch Schließen der Schlüpftür
nähert sich der Permanentmagnet dem Näherungssensor
nach 1 an und durch das magnetische Feld des Permanentmagneten
werden die beiden Schalter S1, S2 synchron geschaltet, das heißt
es entsteht eine Verbindung zwischen den beiden Kontaktpunkten 1, 2 sowie 3, 4.
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In 2 ist
eine Fehlertabelle aufgeführt, die sämtliche Zustände
des Näherungssensors aus 1 darstellt.
Die beiden Spalten S1 und S2 beschreiben jeweils die Schalterstellung
der beiden Schalter S1, S2 aus 1, wobei
eine 0 einen offenen Schalter symbolisiert und eine 1 für
einen geschlossenen Schalter steht. Die beiden Spalten R1 und R2
geben jeweils die Größe des ohmschen Widerstandes
der beiden Widerstände R1 und R2 wieder. Für die
Ausführungsform des Näherungssensors aus 1 wurden
die beiden Widerstände R1, R2 jeweils mit einem Ohm dimensioniert.
Die beiden Spalten A1 und A2 beschreiben Fehlfunktionen innerhalb der
Zuleitungen des Sensors, wobei A1 einen Kabelbruch zwischen den
beiden Punkten 9, 10 darstellt und A2 einen Kabelschluß zwischen
den beiden Punkten 11, 12 symbolisiert. In der
Spalte S ist jeweils der in Abhängigkeit verschiedener
Zustände des Sensors gemessene ohmsche Widerstand zwischen
den Meßpunkten 7, 8 aufgeführt.
In der letzten Spalte ist die Steueranweisung der Steuerung an den Torantrieb
eingetragen, welche aufgrund der gemessenen ohmschen Widerstände
vom Torantrieb ausgeführt wird.
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Die
vierte Zeile der Tabelle aus
2 beschreibt
einen Zustand, in dem beide Schalter S1, S2 geschlossen sind, die
beiden Widerstände R1, R2 fehlerfrei funktionieren und
einen ohmschen Widerstandswert von 1 Ohm besitzen, an der Kabelbruchstelle
A1 kein Kabelbruch vorliegt und deshalb mit dem Wert 0 Ohm gekennzeichnet
ist und die Kabelschlußstelle A2, mit einem ohmschen Wert
gegen unendlich gekennzeichnet ist, da kein Kabelschluß vorhanden
ist. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaltung kann anhand folgender
Formel berechnet werden:
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Dadurch
ergibt sich ein ohmscher Wert gleich 0,5 am Ausgang des Näherungssensors,
falls für die beiden Widerstände R1 und R2 eine
Dimensionierung von 1 Ohm angenommen wird. Die Steuerung kann anhand
eines Multimeters den Wert 0,5 Ohm am Ausgang des Näherungssensors
an den beiden Kontakten 7, 8 messen und ordnet dem gemessenen Wert
durch Abgleich mit der Fehlertabelle aus 2 den Steuerbefehl „OK” zu.
In diesem speziellen Fall deutet der Wert 0,5 Ohm auf eine geschlossene
Schlupftür hin und die Steuerung entriegelt den Torantrieb,
das heißt ein Öffnen bzw. Schließen des
Tores durch den Antrieb wird ermöglicht.
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Zeile
eins der Tabelle aus 2 beschreibt einen fehlerfreien
Zustand des Näherungssensors mit zwei geöffneten
Schaltern S1, S2. Die beiden geöffneten Schalter S1, S2
können jeweils durch einen ohmschen Widerstand beschrieben
werden, dessen Wert gegen unendlich geht. Dadurch ergibt sich ebenfalls
für die Parallelschaltung ein unendlicher ohmscher Widerstand,
der am Ausgang zwischen den Kontakten 7, 8 gemessen werden kann.
Aufgrund des gegen unendlich gehenden gemessenen ohmschen Widerstands
führt die Steuerung einen „Stop-Befehl” aus,
was zu einer Verriegelung des Torantriebs führt. Dies bedeutet,
dass bei einer ge öffneten Schlüpftür
die beiden Schalter S1, S2 sich in einem geöffneten Zustand
befinden und durch die Steuerung eine Verriegelung des Torantriebs
erwirkt wird.
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Die
beiden Zeilen 2, 3 zeigen einen Zustand des Näherungssensors,
bei dem entweder der Schalter S1 oder der Schalter S2 ein fehlerhaftes
Verhalten aufweist und die sonstigen Bauelemente oder Zuleitungen
keine Ausfälle beklagen. Im Falle einer unterschiedlichen
Schalterstellung der Schalter S1 und S2 ergibt sich für
den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung entweder der Wert des
Widerstands R1 oder der Wert des Widerstands R2. Wegen des symmetrischen
Aufbaus der Parallelschaltung, resultiert in beiden Fällen
ein meßtechnisch erfaßter ohmscher Wert von 1
Ohm zwischen den beiden Kontaktstellen 7 und 8. Der Wert 1 Ohm wird
von der Steuerung als ein Fehlverhalten des Näherungssensors
interpretiert und eine Verriegelung des Torantriebs oder eine sonstige
geeignete Maßnahme wird von der Steuerung veranlaßt.
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Die
Zeilen 5 bis 8 der Tabelle aus 2 charakterisieren
jeweils einen Zustand des Näherungssensors der durch den
Ausfall eines Bauelementes, das heißt Widerstand R1 oder
Widerstand R2, geprägt ist. Ein Fehlverhalten eines Widerstands
ist dadurch gekennzeichnet, daß sein ohmscher Wert entweder
gegen 0 oder gegen unendlich tendiert. Es sei darauf hingewiesen,
daß für diese vier beschriebenen Fälle
kein Kabelschluß oder Kabelbruch an den Stellen A1 und
A2 auftritt. Bei der Diagnose eines Bauelementausfalls spielt die
Schalterstellung der beiden Schalter S1 und S2 keine Rolle und wird
aus diesem Grund in der Tabelle mit einem X als beliebig gekennzeichnet.
Die dargestellten Fehlerbilder der Zeilen 5 bis 8 der Tabelle aus 2 ergeben
am Ausgang des Näherungssensors die meßtechnisch
erfaßten Werte 0, 1 und unendlich Ohm, was als ein „Fehler-„ oder „Stop-Befehl” interpretiert
werden kann. Hervorzuheben ist, daß bei keinem Fehlerbild der
Wert 0,5 Ohm am Ausgang des Näherungssensors erfaßbar
ist, was zu einer Freigabe des Torantriebs durch die Steuerung führen
würde.
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Die
beiden letzten Zeilen der Tabelle aus 2 geben
jeweils den gemessenen ohmschen Widerstand am Ausgang des Näherungssensors
für den Fall eines Ka belbruchs oder eines Kabelschlusses
innerhalb der Zuleitung des Näherungssensors an. Zeile
9 beschreibt einen Kabelbruch beispielsweise an der Stelle A1 oder
einer anderen Stelle der Zuleitung des Näherungssensors,
woraus sich ein unendlicher Widerstand an der Bruchstelle A1 ergibt, der
auch an der Meßstelle an den Kontakten 7 und 8 erfaßbar
ist. Wie in der Zeile dargestellt ist, würde dieser gemessene
Wert zu einem Stop-Befehl der Steuerung führen. Zeile 10
symbolisiert einen Kabelschluß an der Stelle A2 der Zuleitungen
des Näherungssensors. Der Kurzschluß an der Stelle
A2 führt zu einem gemessenen ohmschen Widerstand am Ausgang
des Näherungssensors der Gegen den Wert 0 tendiert, was
ebenfalls zu einer Fehlerdiagnose der Steuerung führt.
Für beide Fälle gilt ebenfalls, daß niemals
der Wert 0,5 Ohm am Ausgang des Näherungssensors meßbar
ist und keine Freigabe des Torantriebs durch die Steuerung erteilt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 8906151 [0003]
- - DE 202006001941 U1 [0004]
