DE2910491C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven und analogen Näherungsdetektor
mit einem parallelgeschalteten Schwingkreis,
dessen Überspannungkoeffizient und dessen Eigenimpedanz
sich in Abhängigkeit von der Entfernung eines metallischen
Gegenstandes ändern, der die Spule und ein Verstärkungsorgan
beeinflußt, wobei die Schaltung so ausgebildet ist, daß
der Ausgangsstrom des Verstärkungsorgans in den Schwingkreis
über einen Widerstand eingespeist wird und der Schwingkreis
einen Teil eines Rückkopplungskreises zwischen dem Ausgang
und dem Eingang des Verstärkungsorgans bildet.
Derartige analoge Näherungsdetektoren sind in zahlreichen
industriellen Bereichen anwendbar, beispielsweise zum Sortieren
von Gegenständen in Abhängigkeit von ihren Abmessungen
oder von ihrer Stellung, zur Messung ihrer Annäherungsgeschwindigkeit,
zur Anzeige ihrer Bewegungsrichtung und dergleichen.
In derartigen Anwendungsbereichen handelt es sich um Entfernungen,
die im allgemeinen einige Zentimeter nicht überschreiten,
und in dieser Größenordnung von Entfernungen wäre
es zweckmäßig, ein analoges Signal zu erzeugen, das eine
möglichst lineare Funktion von der Entfernung ist.
Die bekannten Schaltungen besitzen nicht eine ausreichende
Linearität, und zwar insbesondere deshalb, weil sie mit konstanter
Spannung gespeist werden und weil das Ausgangssignal
an der Hochfrequenzschwingung selbst entnommen wird, was eine
Störung im Betrieb des Schwingkreises mit sich bringt, indem
an seinen Anschlüssen eine Impedanz hervorgerufen wird.
Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltung zu schaffen, die
diese Nachteile nicht aufweist.
Die Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet,
daß der Oszillator über einen Eingangsanschluß
von einem im wesentlichen konstanten Speisestrom
beaufschlagt ist, daß der Wert des Widerstands so niedrig
gewählt ist, daß der Oszillator die Schwingungsbedingung
auch schon bei nahe Null liegenden Entfernung D
des abzutastenden Gegenstands vom Parallelschwingkreis
erfüllt, und daß der zur Speisung dienende Eingangsanschluß
des Oszillators gleichzeitig
einen Ausgangsanschluß dieses Oszillators zur Abgabe
eines analogen Ausgangssignals bildet, welches zwischen
diesem Ausgangsanschluß und einem auf Festpotential liegenden
Ausgangsanschluß des Parallelschwingkreises
anliegt.
Die einzelnen Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 daß elektrische Schaltbild eines Näherungsdetektors
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Kurve, die die Arbeitsweise des Detektors veranschaulicht,
und
Fig. 3 eine Fig. 1 entsprechende Schaltung, die einige zusätzliche
Merkmale besitzt.
Fig. 1 zeigt einen Schwingkreis, der aus zwei Induktanzen 1
und 2 besteht, die in einem Ferrittopf montiert sind und miteinander
gekoppelt sind. Die Induktanz 1 mit dem Wert L₁ bildet
zusammen mit einem parallelgeschalteten Kondensator 3 mit
dem Wert C 1 einen Resonanzkreis, in dem sich eine Hochfrequenzschwingung
entwickelt, sofern die Energieverluste durch Einspeisung
eines Stroms über einen Widerstand 4 mit dem Wert R E
ausgeglichen werden. Dieser Strom wird durch einen Transistor
5, beispielsweise einen npn-Transistor, geliefert, der durch
einen einen konstanten Strom erzeugenden Generator 6 gespeist
wird. Die Schaltung wird an einem Speiseanschluß 61 mit einer
Gleichspannung +V gespeist.
Ein Widerstand 7 mit dem Wert R 3 ist zwischen der Basis und
dem Kollektor des Transistors 5 angeordnet, während ein mit
der Induktanz 2 (mit dem Wert L₂) in Reihe geschalteter Kondensator
8 zwischen der Basis und dem dem Widerstand 4 und
dem Resonanzkreis gemeinsamen Punkt angeordnet ist. Ein Kondensator
9 ist an den Anschlüssen des auf diese Weise gebildeten
Schwingkreises parallelgeschaltet, d. h. zwischen dem
Kollektor des Transistors 5 und dem Massepunkt des Resonanzkreises.
sei die Impedanz des Schwingkreises mit der Eigenschwingung ω,
wobei Q₁ sein Überspannungskoeffizient bei Fehlen eines nahen
Metallteils ist. Bei Vorhandensein eines Metallteils in der
Entfernung D von dem Topf nimmt Q₁ einen Wert Q(D) und Z₁
einen Wert Z(D) an.
Man kann nachweisen, daß die Grenzbedingung für die Unterhaltung
der Schwingungen durch die Gleichung
R E # Z(D)/2 N
gegeben ist, wobei N das relativ hohe Verhältnis zwischen den
Windungszahlen der Wicklungen 1 und 2 ist (die so gewickelt
sind, daß der in die Wicklung 2 wieder eingespeiste Strom mit
dem Ausgangshochfrequenzsignal des Transistors in Phase ist).
In der Praxis gibt man R E einen sehr niedrigen Wert, so daß
die Bedingung der Unterhaltung der Schwingungen erreicht ist,
wenn die Werte Q(D) oder Z(D) ihrerseits sehr niedrig sind.
Nun ist dies der Fall, wenn sich das Metallteil, dessen Näherung
abgetastet werden soll, seinerseits in einem sehr geringen
Abstand von dem Topf befindet. Wenn das Metallteil sehr
weit entfernt ist, erreichen Q (D) oder Z (D) ihre Eigenwerte
Q₁ bzw. Z₁, die größer als Q (0) und Z (0) sind. Die Schwingung
wird also unabhängig von D unterhalten.
Die Scheitelspannung Vc des Hochfrequenzsignals ist gleich
wobei I der von dem Generator 6 gelieferte konstante Strom
ist.
Die durch den Kondensator 9 gefilterte Gleichspannung Vosc
an den Anschlüssen des Oszillators weicht von Vc wenig ab
(da der Transistor praktisch gesättigt ist, ist seine Spannung
zwischen Kollektor und Emitter praktisch Null, wenn der
Wert von R E sehr niedrig ist).
Daraus ergibt sich schließlich, daß die Gleichspannung Vosc
eine quasi lineare Funktion von der Entfernung D ist, und
zwar in einem Entfernungsbereich von beispielsweise weniger
als 50 mm.
Diese Spannung wird durch einen Transistor 10, beispielsweise
einen npn-Transistor, verstärkt, dessen Emitter über einen
Widerstand 11 mit dem Wert R mit der Masse verbunden ist. Der
Strom Is, der diesen Transistor durchquert und durch ein
Amperemeter 12 gemessen wird, ist im wesentlichen gleich dem
Verhältnis V R /R zwischen der Spannung an den Anschlüssen des
Widerstandes 11 und dem Wert R dieses Widerstandes. Man erhält
schließlich:
wobei V B E die Spannung zwischen Basis und Emitter des Transistors
10 ist. (Da dieser einen hohen Verstärkungsfaktor hat, ist sein
Basisstrom vernachlässigbar.) Der Strom I s ist somit eine quasi
lineare Funktion von der Entfernung D.
Wenn man ein analoges Spannungssignal wünscht, genügt es,
das Amperemeter 12 durch einen Widerstand 120 mit dem Wert
R s (in unterbrochenen Linien gezeichnet) zu ersetzen. Die
Spannung Vs an den Anschlüssen dieses Widerstandes ist nun
im wesentlichen gleich
d. h. eine quasi lineare Funktion von D.
In der Realität besitzt die Kurve Vosc = f (D) in der beschriebenen
Schaltung die beiden in Fig. 2 veranschaulichten
Linearitätsfehler.
Der Linearitätsfehler in der Nähe von D = 0 wird zweckmäßigerweise
dadurch korrigiert, daß man den einen konstanten Strom
erzeugenden Generator 6 durch einen Widerstand 60 (in Fig. 1
in unterbrochener Linie gezeichnet) mit einem Wert R₆₀ ersetzt,
der gegenüber der veränderlichen Impedanz Zosc zwischen
den Anschlüssen der Oszillatorschaltung groß ist. Man
erhält nun
Mit anderen Worten, Vosc ist nun eine hyperbolische Funktion
von Zosc, die asymptotisch auf die Speisespannung V zustrebt,
wenn Zosc zunimmt, und in Nähe von Z = 0 eine Krümmung besitzt,
die der der Kurve von Fig. 2 entgegengesetzt ist. Man kann auf
diese Weise durch eine entsprechende Wahl von R₆₀ den Linearitätsfehler
Vosc in Abhängigkeit von D in der Nähe von D = 0
korrigieren. Diese Korrektur hat dagegen die Wirkung, daß der
Linearitätsfehler bei den für D zugelassenen höchsten Werten
verstärkt wird. Dieser Fehler wird zweckmäßigerweise dadurch
korrigiert, daß man, wie Fig. 1 zeigt, parallel zu dem Widerstand
11 eine Zenerdiode 13 (oder ein anderes nichtlineares
Schwellenelement) anordnet, die mit einem Widerstand 14 mit
dem Wert R₁₄ in Reihe geschaltet ist.
Bei den niedrigen Werten von D bleibt die Zenerdiode blockiert,
so daß I s durch ihr Vorhandensein nicht geändert wird. Bei den
relativ hohen Werten von D wird der Wert R durch
ersetzt, wodurch die Anstiegsneigung von I in Abhängigkeit von
der Entfernung zunimmt. Auf diese Weise kann der Linearitätsfehler
korrigiert werden, der bei den relativ hohen Werten von
D auftritt.
Der Oszillator wird durch die Verstärkungsstufe 5 nicht beeinflußt,
da diese eine hohe Eingangsimpedanz hat. Das Ausgangssignal
wird zwischen dem Anschluß zur Speisung des Oszillators
mit konstantem Strom und der Masse entnommen, und nicht an dem
Hochfrequenzsignal.
Da die Verluste des Resonanzkreises mit der Temperatur zunehmen
und Vosc infolgedessen dazu neigt, bei zunehmender Temperatur
abzunehmen, da die Verstärkungsstufe 10 dagegen eine Spannung
V BE hat, die abnimmt, und einen Verstärkungsfaktor, der
bei zunehmender Temperatur zunimmt, kann eine Kompensierung
zwischen den entgegengesetzen Einflüssen der Temperatur auf
die Oszillatorstufe und auf die Verstärkungsstufe durch eine
geeignete Wahl ihrer Parameter erreicht werden.
Fig. 3 zeigt dieselben Bauelemente wie Fig. 1, wobei diese mit
denselben Bezugszahlen versehen sind. Der Emitter des Transistors
5 ist direkt mit der Induktanz 1 verbunden, d. h. R E = 0.
Der Kondensator 3 ist mit dem warmen Punkt der Wicklung 2 verbunden,
und nicht, wie in Fig. 1, mit dem warmen Punkt der
Wicklung 1. Die Speisung +V geht über eine Diode 15 vor sich,
die eine Polaritätsumkehrung im Fall eines falschen Anschlusses
verhindern soll, und die Rückleitung zur Masse geht über
den Widerstand 60 und einen Ballast vor sich, der aus einem
pnp-Transistor 16 besteht, dessen Basisspannung durch eine
Zenerdiode 17 festgelegt wird und dessen Basis mit dem Kollektor
über einen Widerstand 18 verbunden ist.
Die Spannungg Vosc wird durch eine "Darlington"-Schaltung verstärkt,
die aus zwei pnp-Transistoren 19 und 20 besteht: der
dem Emitter des Transistors 19 und der Basis des Transistors
20 gemeinsame Punkt ist mit dem Speiseleiter über einen Widerstand
21 verbunden, der durch einen Kondensator 22 entkoppelt
ist. Der Widerstand 21 gestattet das Abfließen der Ableitungsströme,
die auftreten können, wenn der Transistor 19 blockiert
ist. Der Strom Is durchquert den Transistor 20 und einen in
Reihe geschalteten Widerstand 11. Die Zenerdiode 13 und der
Widerstand 14, die zu dem Widerstand 11 parallelgeschaltet
sind, haben dieselbe Aufgabe wie die Bauelemente, die in
Fig. 1 mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Die Erfindung betrifft einen Näherungsfühler mit einem parallelen
Schwingkreis 1, 3, dessen Induktanz 1 durch das Metallteil,
dessen Entfernung festgestellt werden soll, beeinflußt
wird und der einen Teil eines Oszillators (Transistor 5, Rückkopplungskreis
4, 8) bildet.
Die Schaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator
mit konstantem Strom gespeist wird (Generator 6), daß der
Widerstand 4 zur Einspeisung des Stroms in den Schwingkreis
praktisch Null ist und daß das Ausgangssignal Vosc an den
Anschlüssen des Oszillators entnommen wird.
Diese Schaltung ist für eine Vorrichtung anwendbar, die ein
lineares analoges Signal als Funktion von der Entfernung zum
Sortieren von Gegenständen oder zum Messen ihrer Annäherungsgeschwindigkeit
benutzt.
Claims (5)
1. Näherungsdetektor mit einem eine Induktanz (1) umfassenden
Parallelschwingkreis (1, 3), dessen Überspannungskoeffizient
und Eigenimpedanz infolge der sich ändernden Induktanz
(1) von der jeweiligen Entfernung eines abzutastenden
metallischen Gegenstands abhängt und dem ein Verstärkungsorgan
(5) zugeordnet ist, um einen Oszillator (1-4, 7, 8)
zu bilden, bei dem der einen Teil eines Rückkopplungsnetzwerks
(1-4, 8) bildende Parallelschwingkreis
zu dessen Entdämpfung über einen Widerstand (4) vom
Ausgangsstrom des Verstärkungsorgans beaufschlagt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Oszillator (1-4, 7, 8) über einen Eingangsanschluß
von einem im wesentlichen konstanten Speisestrom
beaufschlagt ist, daß der Wert des Widerstands (4) so niedrig
gewählt ist, daß der Oszillator die Schwingungsbedingung
auch schon bei nahe Null liegenden Entfernungen (D)
des abzutastenden Gegenstands vom Parallelschwingkreis
(1, 3) erfüllt, und daß der zur Speisung dienende Eingangsanschluß
des Oszillators (1-4, 7, 8) gleichzeitig
einen Ausgangsanschluß dieses Oszillators zur Abgabe
eines analogen Ausgangssignals bildet, welches zwischen
diesem Ausgangsanschluß und einem auf Festpotential liegenden
Ausgangsanschluß des Parallelschwingkreises (1, 3)
anliegt.
2. Näherungsdetektor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal
des Oszillators (1-4, 7, 8) einer einen
Transistor (10; 19, 20) in Emitterschaltung oder in Kollektorgrundschaltung
umfassenden Verstärkerschaltung zugeführt
ist.
3. Näherungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung
des dem Oszillator (1-4, 7, 8) zugeführten, im wesentlichen
konstanten Speisestroms ein Widerstand (60)
zwischen eine Speisequelle (+V) und den Oszillator (1-4,
7, 8) geschaltet ist, dessen Wert gegenüber der zwischen
den Eingangsanschlüssen des Oszillators liegenden
Impedanz hoch ist und in Abhängigkeit von Linearitätsfehlern
des Ausgangssignals des OszillatorS (1-4, 7, 8) gewählt
ist, die in einem unteren Teil des Meßbereichs geringerer
Entfernungen des metallischen Gegenstands auftreten,
um diese Linearitätsfehler zu kompensieren.
4. Näherungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein eine Zenerdiode
(13) und einen Widerstand (14) umfassender Serienkreis
parallel zu einem Widerstand (11) geschaltet
ist, der in Reihe mit dem Transistor (10; 19, 20) der Verstärkerschaltung
liegt, und daß die Werte dieser Bauelemente
in Abhängigkeit von Linearitätsfehlern des Ausgangssignals
des Oszillators (1-4, 7, 8) gewählt sind, die
in einem oberen Teil des Meßbereichs höherer Entfernungen
des metallischen Gegenstands auftreten, um diese Linearitätsfehler
zu kompensieren.
5. Näherungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung
des dem Oszillator (1-4, 7, 8) zugeführten Speisestroms
ein Transistor (16) und eine Zenerdiode (17) vorgesehen
sind, die zusammen eine Ballastschaltung bilden.
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8365 | Fully valid after opposition proceedings |