DE2351444A1

DE2351444A1 - Annaeherungsfuehler

Info

Publication number: DE2351444A1
Application number: DE19732351444
Authority: DE
Inventors: Alfredo Fausone; Luigi Prof Piglione
Original assignee: Olivetti SpA
Current assignee: Olivetti SpA
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1973-10-10
Publication date: 1974-05-02
Also published as: US3872398A; IT975218B

Description

PATENTANWÄLTE

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MÜNCHEN 22 . WlDENM AYERSTRASSE 49 1 B ERL! N-DAHLEM 33 . PODBIELSKIALLEE 68

BERLIN: DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER MÜNCHEN: DIPL.-ING. HANS-H. WEY

Berlin, den 10. Oktober 1973

. 25 428

Ing. C. Olivetti & C, S.p.A.
Ivrea, Torino (Italien)

Annäherungsfühler

Die Erfindung betrifft einen Annäherungsfühler zur Anzeige der relativen Lage eines metallischen Teils gegenüber dem Fühler.

Annäherungsfühler zum Feststellen der Anwesenheit oder der Abwesenheit eines metallischen Teils in der Nähe des Fühlers sind bekannt. Im allgemeinen wirkt das abzufühlende oder festzustellende metallische Teil in der ¥eise, daß es einen Schwingungskreis in der einen oder anderen Richtung beaufschlagt. Beispielsweise kann der Schwingkreis je nach der Lage des Teils schwingen gelassen oder am Schwingen gehindert werden. Die Schwingung^- oder Nichtschwingungsbedingungen oder -zustände werden somit zum Zweck der Feststellung oder Anzeige der Lage des Teils zu einer Induktivität herangezogen, die einen Teil des Schwingkreises bildet,

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BERLIN: TELEFON (03 11) 76 3β O7 MÜNCHEN: TELEFON (0.811) 23 BB 88 KABEL: PROPINDUS · TELEX OI 84OB7 KABEL: PROPlNDUS · TELEX OB 24344

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Zur Veranschaulichung mag angeführt werden, daß der Annäherungsfühler entweder als ein Stellungsübertrager oder stroboskopisch benutzt werden kann. Wenn, er als Stellungsübertrager verwendet wird, wird ein unterschiedliches Ausgangsspannungsniveau für die beiden verschiedenen, von dem Teil eingenommenen Stellungen vorgesehen. Wenn er stroboskopisch benutzt wird, wird ein elektrischer Impuls vorgesehen, der den Vorbeigang eines metallischen Teils bei einer in einer Richtung erfolgenden Bewegung anzeigt.

Die bekannten Vorrichtungen dieser Art nach dem Stand der Technik sind gekennzeichnet durch einen ziemlich komplizierten Aufbau und durch die Unmöglichkeit, ihre Empfindlichkeit und das Ausmaß oder die Größe der Hysterese des Fühlers in einfacher und leicht bestimmbarer Weise durch Einwirkung ausschließlich auf die elektrischen Parameter des Fühlers einzustellen.

Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, die Nachteile der Annäherungsfühler nach dem Stand der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist es ihre Aufgabe, eine leichte Einstellbarkeit der Empfindlichkeit des Fühlers und der Amplitude seiner Hysterese durch einfache Einstellung der elektrischen Parameter des Fühlers vorzusehen.

Diese und andere Gegenstände der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit der eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellenden Zeichnung eingehender erklärt.

Allgemein besteht der Annäherungsfühler nach der Zeichnung aus einem Schwingkreis oder einer Oszillatorstufe, einer Demodulations stufe und einer Ausgangsstufe. Der Schwingkreis umfaßt eine Induktivität L_-., die durch einen Kondensator C_-.

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zur Bestimmung der Frequenz der von dem Schwingkreis entwickelten Schwingspannung abgestimmt wird. Das Metallteil, dessen Anwesenheit oder Bewegung abzufühlen oder festzustellen ist, wird magnetisch an die Induktivität L₁ gekoppelt, ebenso wie eine Induktivität Lp» die eng und rückkoppelnd an die Induktivität L. gekoppelt ist, um. eine Rückkopplungsspannung an den Verstärkerkreis des Oszillators zu liefern.

Der Verstärker umfaßt den NPN-Transistor T^. Sein Kollektor ist über den abgestimmten Oszillatorkreis oder Schwingkreis L.C. mit einer Klemme einer Gleichspannungsquelle Vq_C verbunden. Die andere Klemme der letzteren ist an Erde gelegt. Der Emitter des Transistors T. ist über einen veränderlichen oder einstellbaren Widerstand fU an Erde gelegt. Die Verbindung zwischen dem Widerstand IU und dem Emitter des Transistors T₁ ist über die Reihenschaltung eines veränderbaren Widerstands R/, und eines veränderbaren Widerstands R₁- mit der nicht geerdeten Klemme der Spannungsquelle V_Cq verbunden. Die Widerstände R^, R^ und R₁- bilden natürlich einen Spannungsteiler, der an die Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, und bestimmen sowohl den Emitterwiderstand als auch die Emitter-Vorspannung.

Die Basis des Transistors T ist über die Induktivität L₂ an einen zweiten Spannungsteiler angeschlossen. Dieser zweite Spannungsteiler besteht aus der Reihenschaltung der Widerstände R₁ und Rp, die über die Spannungsquelle V_GC geschaltet sind; Die von der Basis des Transistors T₁ entfernte Klemme der Induktivität Lp ist mit einem Zwischenpunkt des zweiten Spannungsteilers verbunden. Es ist verständlich, daß der Spannungsteiler durch ein Potentiometer gebildet sein könnte, dessen Gleitkontakt mit der Induktivität "L₂ verbunden ist. Jedenfalls wird die Basisvorspannung durch die relativen Werte der Widerstände R₁ und Rp bestimmt und kann ge-

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wählt werden, um die Amplitude der von dem Oszillatorkreis gelieferten Schwingungen zu steuern.

Das Übersetzungsverhältnis Z des von den Induktivitäten L₁ und Lp gebildeten Transformators ist = N₁/N₂, wobei N₁ die Windungszahl der Induktivität L₁ und N₂ die der Induktivität Lp ist. Der äquivalente Parallelwiderstand des Oszillatorkreises, der von den Induktivitäten L₁ und Lp und dem Kondensator C₁ gebildet wird, sei mit R bezeichnet. Der Äquivalentwiderstand, der auf den Emitter des Transistors T₁ wirkt, werde mit R bezeichnet.

Der Äquivalent-Parallel-Widerstand R des Oszillatorkreises wird natürlich zum Teil durch die Stellung des Metallteils bestimmt, das abgefühlt wird. Das heißt, der Widerstand R umfaßt den Kreisverlust infolge von Strömen, die in dem Metallteil durch Induktion seitens des Oszillatorkreises fHessen. Wenn das Metallteil sich in großer Nähe zu der Induktivität L₁ befindet, ist der Verlust größer, und daher ist der Wert von R kleiner als wenn das Metallteil von Oszillatorkreis entfernt ist. Der Wert des Widerstands R hängt nicht von der Geschwindigkeit oder der Richtung der Bewegung des Metallteils ab, sondern nur von seinem Abstand von der Induktivität L₁.

Die Eigenschaften des Oszillatorkreises einschließlich des Verstärkers T₁ werden so gewählt, daß, wenn das Metallteil weiter als um einen vorbestimmten Abstand von der Induktivität L₁ entfernt ist, der Äquivalent-Parallel-Widerstand R einen solchen Wert hat, daß das Verhältnis R₀ZR- multipliziert mit dem reziproken Wert des Transformator-Übersetzungsverhältnisses größer als 1 ist. Das heißt:

Zu dieser Zeit befindet sich mit einer Transistor-Verstär-

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kung, die größer als das Transformator-Übersetzungsverhältnis ist, der Oszillatorkreis in Schwingung, und eine Schwingungsspannung wird durch den Oszillatorkreis geliefert. "· _".-; Die Spannung im Punkt A, der die Verbindung zwischen dem Kollektor des Transistors T₁ und dem abgestimmten Kreis L₁C₁ darstellt, verändert sich deshalb sinusförmig mit dem Durchschnittswert, der gleich der Quellenspannung ist. Die Amplitude der Abweichung der Sinusspannung vom Durchschnittswert läßt sich durch Wahl der relativen Größen der Widerstände R₁ und R₂ auf einen geeigneten Wert einstellen.

Der Punkt A ist mit der Basis des Demodulator-Stufen-Transistors T₂, der vom NPN-Typ ist, über eine Diode D₁ verbunden. Die Amplitude der Schwingungsspannung wird so gewählt, daß sie den Schwellenwert der Diode D₁ während mindestens eines Teils der negativen Abweichung der Schwingungsspannung übersteigt, und deshalb erhält der Transistor T₂ in diesem Zeitpunkt eine negative Spannung. Die Amplitude der Ansteuerung ist so bemessen, daß sie die Sättigung des Transistors T₂ verursacht, der wie ein Schalter arbeitet. Während des verbleibenden Teils des Oszillator-Spannungs-Zyklus ist die Basis des Transistors T₂ infolge der Polarität der eine im wesentlichen vernachlässigbare Erholungsperiode aufweisenden Diode D₁ von dem Oszillatorkreis abgeschaltet. Die Kreis-Bauelemente werden so gewählt, daß die in dem Übergang des Transistors T₂ gespeicherte Ladung den Transistor im Sättigungszustand hält, bis der nächstfolgende negative Halb-Zyklus der Oszillatorspannung stattfindet, so daß der Transistor T₂ solange gesättigt bleibt, wie der Oszillatorkreis eine Ausgangsoszillatorspannung an dem Punkt A liefert.

Die Basis des Transistors T₂ ist mit der Gleichspannungsquelle V_cc über den Widerstand R_Q verbunden. Der Emitter des Transistors T₂ ist an dieselbe Klemme der Spannungsquel-

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le angeschlossen, und der Kollektor über einen Widerstand Rg an die geerdete Klemme der Quelle.

Die Verbindung zwischen dem Widerstand Rg und dem Kollektor des Transistors T₂ ist über einen Widerstand R_g an die Basis eines NPN-Ausgangs-Transistors T, angeschlossen. Der Emitter des Transistors T, ist mit der geerdeten Klemme der Gleichspannungsquelle verbunden, während sein· Kollektor an die Ausgangsklemme C angeschlossen ist. Die andere Ausgangsklemme ist geerdet.

Der Transistor T, arbeitet ebenso wie der Transistor Tp wie ein Schalter und wird in den Sättigungszustand versetzt jedesmal, wenn der Transistor T₂ gesättigt ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach der Erfindung ist derart, daß die Spannung Ky, die zwischen den Ausgangsklemmen der Schaltung erscheint, im wesentlichen gleich Null ist, wenn die Transistoren T« und T, gesättigt sind und somit, wenn der Oszillatorkreis schwingt.

Ein Rückkopplungskreis ist zwischen dem Transistor T, und dem Transistor T₂ vorgesehen. Dieser Kreis umfaßt die Reihenschaltung des Widerstands R₇ und des Kondensators C-, die zwischen den Kollektor des Transistors T, und die Basis des Transistors Tp zwischengeschaltet ist. Die Rückkopplungsverbindung vermeidet eine Unsicherheit, die durch eine Veränderung in der Amplitude der Oszillatorspannung verursacht sein könnte, und wirkt so, daß wenn die Transistoren T^ und T-, eingeschaltet sind, sie eingeschaltet über einen Zeitraum bleiben, der viermal die Zeitkonstante des R-C-Kreises ^R7^G2 ^is'^fc· Diese Zeitkonstante wird vorzugsweise so gewählt, daß die Zeit ausreichend lang für die Erregung der Hysterese des Fühler-Kreises und ausreichend kurz ist, um eine

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hohe Wiederholungsfrequenz für den Schaltzyklus zu ermöglichen.

Die Arbeitsweise der Schaltung, wenn der Oszillator eine Oszillatorspannung vorsieht, wurde oben beschrieben« Wenn das Metallteil, dessen Stellung abgefühlt wird, dichter an die Induktivität L^ heranbewegt wird, erreicht die magnetisierende Kraft größere Ausschläge, da das Metallteil einer stärkeren veränderlichen Magnetisierung mit einer entsprechenden Zunahme des darin induzierten Stroms ausgesetzt ist. Die Wirkung entspricht einer Abnahme des Äquivalent-Parallel-Widerstands R_. Wenn das Metallteile 6ine dicht genug bei der Induktivität L₁ liegende Stellung feinnimmt, wird das Verhältnis zwischen dem Äquivalent-Parallel-Widerstand R und dem Äquivalent-Emitter-Widerstand multipliziert mit dem reziproken Wert des Transformator-Übersetzungsverhältnisses < 1 (R„ . und die Oszillatorspannung wird

gedämpft.

In diesem Zeitpunkt befindet sich der Punkt A im wesentlichen auf dem Potential der Gleichspannungsquelle V_cc, und der Transistor T₂ ist abgeschaltet. Bei abgeschaltetem Demodulations-Transistor T₂ ist der Ausgangs-Transistor T, ab geschaltet, so daß die Ausgangsspannung Vtj im wesentlichen gleich der Gleichspannungsquellen-Spannung ist»

Die Schaltschwellenwertspannung des Systems läßt sich durch Regulierung der Bauteile einstellen, die zur Bildung des Emitter-Widerstands R , wie anschließend erläutert wird, zu sammenwirken·

Die Amplitude der Hysterese des Fühlers wird durch die Werte, der Widerstände R,, R^ und ·

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R₅ zusammen mit der Arbeit der Diode D„ bestimmt, die zwischen die Ausgangsklemme C und den Verbindungspunkt zwischen den Widerständen R₄ und R₅ geschaltet ist. Die Diode Dp leitet nicht, wenn das Metallteil, dessen Stellung abgefühlt werden soll, sich in der Nähe der Induktivität L,. befindet und die Ausgangs spannung Vy hoch ist (Vy = V_cc). Zu diesem . Zeitpunkt ist der Emitter des Transistors T₁ wirksam mit einem Anschlußpunkt eines Dipolelements verbunden, das von

V R

einer Spannungsquelle E = CC 3 und einem Widerstand

R₃₊R₄₊R₅

gebildet wird.

Im umgekehrten Fall, wenn das Metallteil genügend weit von der Induktivität L. entfernt ist, ist die Ausgangsspannung Vy im wesentlichen Null (Vg = 0). Zu diesem Zeitpunkt leitet die Diode Dp, und der Emitter des Transistors T^ ist wirksam mit einem Widerstand verbunden, der durch die Parallelschal-

R R tung von R, und R_A bestimmt wird. Das heißt R' = 5-4 .

Die Werte der Widerstände R₃, R₄ und R₅ lassen sich so einstellen, daß der Emitter-Widerstand einen niedrigeren Wert hat, wenn das Metallteil sich in der Nähe der Induktivität L₁ befindet, und daß deshalb die Verstärkung des Transistors T₁ in diesem Zeitpunkt größer ist, aber unverändert unter anderen Bedingungen.

Wenn das Metallteil in irgendeiner Richtung näher an die Induktivität L₁ heranbewegt wird, nimmt der Wert des Äquivalent-Parallel-Widerstands R fortschreitend ab· Wenn das Me-

p
teilteil einen Abstand d₁ von der Induktivität L₁ erreicht

hat, ist das Verhältnis ^Rp = t. Dies ist der Betätigungs-

Schwellenwert für das System. Wird das Metallteil noch dich-

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ter an die Induktivität L. heranbevjegt, so wird dieser Schwellenwert überschritten und ein Schwingen des Oszillatorkreises verhindert, so daß der Ausgang auf die Spannung Vy = Vqq geschaltet wird_o

Wird das Metallteil dann von der Induktivität L^ in irgendeiner Richtung fortbewegt, so beginnt das Schwingen bei einem Abstand D^ zwischen dem Metallteil und der Induktivität, in dem das Verhältnis zwischen dem Äquivalent-Parallel-Widerstand R. und dem Äquivalent-Emitter-Widerstand R^. gleich dem Transformator-Übersetzungsverhältnis ist. In diesem Zeitpunkt hat der Äquivalent-Emitter-Widerstand R_e*den Wert R«

Durch Einstellen der Widerstände R,, R^, Rc derart, daß der Äquivalent-Widerstand R größer als der Äquivalent-Widerstand R_örI,i ist, wird das Abschaltverhältnis % ) t ereq -JfT"

eq

reicht, wenn sich das Metallteil in einer Entfernung Dg von der Induktivität L,. befindet, die größer als die Entfernung d,. ist. Dies wird ohne jede Änderung in den anderen Bedingungen erreicht. Die Abstände des Metallteils von der Induktivität L₁, nämlich fL und D₂, und damit auch die Amplitude des Hysterese-Zyklus des Fühlers sind Funktionen der Werte der Widerstände R,, R^ und R=. Wenn diese Widerstandswerte sich ändern, werden unterschiedliche Empfindlichkeiten des Annäherungsfühlers erhalten. Das heißt, die Abstände des Metallteils von der Induktivität L^, bei denen die elektronische Schaltung geschaltet wird, werden verändert, wenn sich die Werte der Widerstände R,, R^ und R^ ändern.

In ähnlicher Weise verursacht eine Veränderung dieser Widerstandswerte eine Änderung der Amplitude des Hysterese-Zyklus des Fühlers. Andererseits wird die Amplitude der Oszil-

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latorspannung durch die Werte der Widerstände R und R„ und nicht durch die Widerstände fU, R^ und R₅ bestimmt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Schaltung aus einzelnen Bauteilen ebenso wie in einer hybriden Anordnung aufgebaut werden kann. In beiden Fällen können die Widerstände des Fühlers mit bekannten Techniken eingestellt werden.

Patentansprüche; - 11 -

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Claims

- 11 Patentansprüche:

Annäherungsfühler für die Feststellung der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Metallteils in seiner Nähe mit einem Oszillator, einer Demodulationsstufe und einer Ausgangsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel für die Einstellung seiner Empfindlichkeit umfaßt.

2» Annäherungsfühler nach Anspruch 1, dessen Oszillator aus einem Transistor besteht, dessen Kollektor mittels eines Oszillatorkreises, bestehend aus einer parallelgeschalteten ersten Induktivität und einem ersten Kondensator, mit der Spannungsquelle verbunden ist, und dessen Basis über eine zweite Induktivität, die reziprok an die erste Induktivität gekoppelt ist, mit einem Spannungsteiler verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter des Transistors (T₁) über einen ersten Widerstand (R,) geerdet ist, mit dem Ausgang über einen zweiten Widerstand (R^) und eine Diode (D₂) verbunden ist und mit einer Spannungs quelle (V_cc) über einen dritten Widerstand (R_p), wobei die Empfindlichkeit des elektronischen Schaltkreises von diesen Widerständen (R₅, R^, R₅) abhängt.

3. Annäherungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel zur Bestimmung der Amplitude der Fühler-Hysterese umfaßt·

.4. Annäherungsfühler nach Anspruch 1, 2 und 3, d a durch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Fühler-Hysterese von dem ersten (R^),

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zweiten (R^) und dritten Widerstand (R₅) abhängt.

Annäherungsfühler nach Anspruch 1 und 2, bei dem die Demodulationsstufe aus einem zweiten Transistor "besteht, dessen Emitter mit der Spannungsquelle -verbunden ist, dessen Kollektor über einen vierten Widerstand mit Erde und über einen fünften Widerstand mit der Basis eines dritten Transistors verbunden ist, der zu der Ausgangsstufe gehört und dessen Basis über eine Diode mit dem Kollektor des ersten Transistors verbunden ist und mit der Spannungsquelle über einen sechsten Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil jeder negativen Welle der an den Kollektor des ersten Transistors (T..) gelegten Schwingungen die Basis des zweiten Transistors (T₂) so vorspannt, daß sie in den Sattigungszustand gebracht wird, wobei auch die Sättigung des dritten Transistors (T₅) verursacht wird, der über eine Rückkopplungsschaltung (R„, C₂) mit, der Basis des zweiten Transistors (T₂) verbunden ist.

Annäherungsfühler nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnetj daß die Basis des zweiten Transistors über eine Rückkopplungsschaltung, die aus einem mit einem siebenten Widerstand (R₇) in Reihe geschalteten zweiten Kondensator (C₂) besteht, mit dem Kollektor des dritten Transistors (T,) verbunden ist.