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Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung
zum Schutz gegen unbeabsichtigte oder unbefugte Benutzung eines
Schalters, die aus einem Betätigungsteil
und einem Sensorteil besteht.
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Es gibt Anwendungen, in denen es
nicht zulässig
ist, dass ein vorzugsweise elektronischer Schalter unbeabsichtigt
betätigt
wird. Diese unbeabsichtigte Betätigung
bezieht sich nicht nur auf elektrische Störungen, die von außen auf
den Schalter einwirken, oder Bauelementeausfälle, die sich im Inneren des
Schalters abspielen, sondern auch darauf, dass unbefugte Personen
versuchen, eine solche Sicherheitsvorrichtung zu betätigen. Bei üblichen
induktiven Näherungsschaltern
kann eine solche Betätigung
zum Beispiel dadurch erfolgen, dass ein Metallblech stirnseitig
auf den Schalter geklebt wird. Eine Betätigung von Schaltern, die mit
Infrarotstrahlen arbeiten, kann zum Beispiel dadurch erfolgend, dass
ein Hilfsspiegel in die Lichtstrecke eingebracht wird. Um solche
Fehlbetätigungen
auszuschließen, ist
man dazu übergegangen,
zusätzlich
zu dem eigentlichen Sensorschalter ein zusätzliches Betätigungsteil
einzubauen.
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Der Sensorschalter wird dann nur
betätigt, wenn
dieses Betätigungselement
mit dem Sensorteil zusammengebracht wird. In der einfachsten Ausführung besteht
das Betätigungselement
aus einem Resonanzkreis, der in ein Gehäuse eingebracht ist. Der Sensorteil
besteht aus einem handelsüblichen
Näherungsschalter.
Werden jetzt Resonanzkreis und die Frequenz des Näherungsschalters
aufeinander abgestimmt, so entzieht der Resonanzkreis bei stirnseitiger
Annäherung
an den Näherungsschalter
diesem Energie, so dass dessen Schwingung zusammenbricht und ein
Schaltsignal ausgelöst
wird. Eine solche Anwendung ist zum Beispiel in der Schrift
DE 2644714 A1 niedergelegt.
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Nachteilig bei dieser Technik ist,
dass ein präziser
Frequenzabgleich von Betätigungs-
und Sensorteil erfolgreich ist. Außerdem ist es möglich eine
solche Anordnung außer
Betrieb zu setzen, indem zum Beispiel ein starker Magnet in die
Nähe des Sensorteils
gebracht wird. Hierdurch wird der ferritische Magnetkern der Sensorspule
in die Sättigung gebracht
und die Schwingung bricht zusammen. Dieser Sensor kann also nicht
zwischen Betätigungselement
und Magnet unterschieden. Diese Schwierigkeiten können dadurch
umgangen werden, dass die Sendefrequenz des Sensorteils periodisch
variiert wird. Jeweils beim Durchlaufen der Resonanzfrequenz des
Betätigungsteils
erfolgt ein Resonanzeinbruch. Nachteilig bei dieser Technik ist
jedoch der relativ große
Schaltungsaufwand. Auch sind zur Erreichung hinreichend großer Schaltabstände antennenartig
ausgebildete Resonanzspulen erforderlich.
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Neben diesen einfachen Methoden sind
heute noch Techniken üblich,
in denen Betätigungsteil und
Sensorteil, welcher als selektives Empfangsteil für das Betätigungselement
ausgebildet ist, eine Übertragungsstrecke
bilden. Übertragen
wird ein fest codiertes Signal, welches in eindeutiger Weise den Betätigungsteil
und den Sensorteil einander zuordnen. Im wesentlichen werden heute
zwei Verfahren angewendet.
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Im einfachsten Fall, wie zum Beispiel
in der Schrift
DE 3010068
A1 dargelegt, besitzt der Betätigungsteil eine eingebaute
Batterie, einen Empfänger, einen
Sender und einen Codierungsteil. Im Sensorteil befinden sich entsprechend
angepasste Einheiten. Gerät
der Betätigungsteil
in die Nähe
des Sensorteils, so empfängt
er den Code des Sensorsenders. Auf diese Anforderung hin sendet
der Betätigungsteil
seinerseits seinen eigenen Code, der von dem Sensorteil empfangen
wird. Damit ist eine eindeutige Zuordnung von Betätigungsteil
und Sensorteil gegeben. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, dass
die Batterie des Betätigungsteils
durch die ständige
Bereitschaft des Betätigungsempfängers belastet
wird und daher die Gebrauchsdauer eingeschränkt. ist.
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In dem anderen Verfahren wird daher
bei grundsätzlich
gleichem Aufbau, wie oben geschildert im Betätigungsteil jedoch keine Batterie
integriert, sondern die erforderliche Energie wird über eine
zusätzliche
Energieübertragungstrecke
zugeführt.
Diese Energieübertragungsstrecke
wird entweder durch eine induktive Kopplung, siehe zum Beispiel
DE 3503347 A1 ,
oder eine optische Kopplung, siehe zum Beispiel
DE 3621427 A1 , von Betätigungs-
und Sensorteil realisiert.
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Ein wesentlicher Nachteil der genannten Verfahren
besteht darin, dass grundsätzlich
zwei voneinander getrennte, parallel arbeitende Übertragungswege, der Energieübertragungs-
und der Signalübertragungsweg,
erforderlich sind. Dies erhöht die
Anzahl der benötigten
elektronischen und elektromechanischen Komponenten erheblich. Auch
ist die benötigte
Stromaufnahme so hoch, dass die Realisierung eines kleinen, die
gesamte Elektronik und Stromversorgung enthaltenden Kompaktgerätes, wie es
zum Beispiel für übliche induktive
Annäherungsschalter
bekannt ist, nicht möglich
ist.
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Die
DE 3503877 A1 beschreibt eine Übertragung
von Speiseenergie durch Licht. Sie behandelt jedoch nicht die Nutzung
dieser Speiseenergie für
die eindeutige Zuordnung von Lichtsender und Lichtempfänger.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Sicherheitsvorrichtung anzugeben, die keine zusätzliche Stromversorgung und
nur wenige Bauelemente für den
Betätigungsteil
aufweist und eine eindeutige Zuordnung von Betätigungsteil und Sensorteil
erlaubt, wobei die Bauform des Sensorteils derjenigen bekannter
Näherungsschalter,
zum Beispiel in Gewindeausführung ähnelt.
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Das Problem wird durch eine Vorrichtung
mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Das Signalempfangselement
und das Energieempfangselement des Betätigungsteils, sind dabei durch nur
ein Fotoelement ausgebildet. Dieses Fotoelement betreibt einen Oszillator,
dessen induktive Oszillatorspule gleichzeitig das Signalsendeelement des
Betätigungsteils
ist. Auf der Sensorseite ist es daher nur erforderlich, die Frequenz
des Sendeoszillators zu empfangen. Eine solche induktive Übertragungsstrecke
kann wesentlich sicherer ausgebildet werden als eine Resonanz-Absorptionsstrecke.
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Während
nämlich
bei einer solchen Strecke die Resonanzverluste des Oszillators sehr
schnell abklingen, kann innerhalb eines induktiven Feldes noch über größere Abstände ein
Signal detektiert werden, insbesondere dann, wenn für den Empfänger ebenfalls
ein selektiver Empfangskreis verwendet wird.
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Auf diese Weise kann sowohl die Störsicherheit
als auch die Signalgröße entschieden
beeinflusst werden. Während
also dieser induktive Empfangskreis sehr empfindlich ausgebildet
werden kann, ist jedoch die Energieübertragung von Sensorteil zum Betätigungsteil
problematisch. Sind z. B. größere Betätigungsabstände zwischen
5 und 10 cm gefordert, bei gleichzeitiger kleiner Ausbildung von
Betätigungs-
und Sensorteil, so scheidet die induktive Energieübertragung
aus. Es ist dann nur eine optische Energieübertragung, wegen der Möglichkeit
der Strahlenbündelung,
möglich.
Durch den schlechten Wirkungsgrand einer solchen Übertragungsstrecke ist
es dann aber zwingend, dass der Strom auf der Betätigungsseite
sehr gering gehalten wird. Auf der Betätigungsseite muss daher jedes
Bauelement nach Möglichkeit
mit einer Doppelfunktion belegt werden. Dies ist bei der angegebenen
Problemlösung
der Fall. Der besondere Vorzug der gewählten Lösung besteht darin, dass einerseits
eine recht unempfindliche Übertragungsstrecke
um Betätigungsteil
zum Sensorteil, nämlich
eine induktive Übertragung,
gewählt
ist. Diese Übertragungstechnik
ist sehr unempfindlich gegen Verschmutzung und Feuchtigkeit.
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Gleichzeitig erfordert sie wenig
Energie, so dass diese Übertragungsstrecke
vom Betätigungsteil aus
betrieben werden kann. Andererseits steht auf der Sensorseite genügend Energie
zur Verfügung, um
z. B. Lichtsendedioden zu betreiben,
die auch bei Verschmutzung der optischen Flächen noch genügend Reserveenergie
aufweisen. Weil auch im Sensorteil mehr Platz zur Verfügung steht
als im Betätigungsteil,
ist es hier möglich,
die Sendeenergie pulsartig zu übertragen.
Dies hat den Vorteil, dass die Verlustleistung einerseits klein
gehalten werden kann, andererseits kann die Pulsung gleichzeitig dazu
benutzt werden, um ein eindeutige, auf der Pulsfrequenz basierende,
Zuordnung von Sensor- und Betätigungsteil
zueinander zu gewährleisten.
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Weil durch die verwendeten schnellen
Siliziumdioden die in Strom umgewandelte Lichtenergie sofort zur
Verfügung
steh, und der Oszillator auf einer relativ hohen Frequenz (100 kHz)
sofort anschwingt, ist auf dieser Übertragungsstrecke, die gleichzeitig die
Stromzufuhr gewährleistet,
eine Pulscodemodulation möglich.
Es ist in dieser Hinsicht auch eine andere Technik in der Weise
realisierbar, dass die' Oszillatorfrequenz
mit der Lichtsendefrequenz moduliert wird. Bei geeigneter Auslegung
der Elektronik im Sensorteil ist daher eine direkte Amplitudenmodulation
möglich.
Das demodulierte Mischprodukt von Oszillatorfrequenz im Betätigungsteil
und optischer Sendefrequenz im Sensorteil kann daher auch zur Signalgabe
genutzt werden. Des weiteren ist es auch möglich, die induktive und die
optische Strecke von Betätigungs-
und Sensorteil zu einer Oszillatorschleife zusammenzufügen. Die
Oszillatorschleife gerät nur
in Schwingungen, wenn Betätigungsteil
und Sensorteil einander gegenüberstehen.
Dies kann zum Beispiel in der Weise geschehen, dass der Oszillator des
Betätigungsteils
unterkritisch gekoppelt ist, d. h. nicht schwingt, und die Sendediode
des Sensorteils auf der gleichen Frequenz überträgt wie der Empfänger des
Sensorteils empfängt.
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Bei geeigneter elektrischer Abschirmung zwischen
induktivem Empfangskreis und optischem Sendekreis im Sensorteil
ist es daher möglich,
die Gesamtanordnung Betätigungsteil – Sensorteil
auf der Resonanzfrequenz des Betätigungsteils
in Schwingungen zu versetzen. Auf diese Weise ist eine doppelte
Sicherheitsstrecke gewährleiste,
die schon bei Ausfall einer Strecke Störung signalisiert und gleichzeitig
durch fremde Signale nicht beeinflussbar ist.
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Die Sicherung gegen Fremdstörungen wird zusätzlich dadurch
erhöht,
daß der
Rückkopplungskreis
durch einen Schalter periodisch unterbrochen ist. Eine logische
Schaltung sorgt dafür,
daß nur
dann ein Ausgangssignal am Sensorteil anliegt, wenn der Empfangskreis
des Sensorteils während
der Unterbrechungszeit, oder einer vorgebbaren Anzahl von Unterbrechnungstakten,
kein Signal detektiert.
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Die erfindungsgemäß beschriebene Kombination
von induktiver und optischer Übertragungsstrecke
ermöglicht
auch eine einfache Realisierung in einer zylindrischen Bauform.
Weil das induktive Feld durch elektrische Isolatoren nicht beeinflußt wird,
ist es möglich,
die optischen Elemente stirnseitig im Sensor vor den induktiven
Elementen anzuordnen. Eine solche Anordnung wird mühelos vom
induktiven Feld durchdrungen. Selbst die Umhüllung der gesamten Anordnung
bis auf die Stirnfläche
mit einem metallischen Rohr vermindert die Leistungsfähigkeit
der Übertragungsstrecke
nicht wesentlich. Besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung von
für die
verwendete Infrarotwellenlänge
durchsichtigen Kunststoffscheiben, die das Sensorgehäuse stirnseitig
abschließen.
Auch sind einteilige Kunststoffhülsen,
die in ein Metallrohr eingeschoben sind, möglich. Hierdurch erübrigt sich
die Verwendung jeglicher Optik und die Systeme sind hermetisch gegen den
Angriff von Umwelteinflüssen
geschützt.
Die weitere Ausbildung der Erfindung geht sowohl aus den Patenansprüchen wie
auch aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Anwendungsbeispiele
hervor.
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In (I)
ist die schematische Anordnung skizziert. Der Sensorteil besteht
aus einem Lichtsender (1), dessen wesentliches Element
eine Infrarotsendediode ist, eine diesen Lichtsender ansteuernde Codierungseinheit
(2), ein Signalempfänger
(3) und ein Signalverstärker
mit Schaltstufe (4). Der Betätigungsteil besteht aus einem
Lichtempfänger
(5), der gleichzeitig die Energieversorgung gewährleistet
und dessen wesentliches Element Silizium- oder Germaniumempfangsdioden
sind. Weitere Elemente sind eine Codiereinheit (6), die
den Sendeteil (7) ansteuert.
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In (II)
ist eine induktive Übertragungsstrecke (8)
zwischen Betätigungsteil
und Sensorteil dargestellt. Der Lichtsender (1) des Sensorteils
liefert die Lichtenergie an 6 in Serie geschaltete Siliziumfotoelemente
(9) des Betätigungsteils.
Parallel zu diesen Siliziumdioden liegt ein Ladekondensator (10).
Das induktive Übertragungselement
des Betätigungsteils ist
ein Parallelschwingkreis, der aus dem Schwingkondensator (12)
und der Schwingspule (11) besteht. Die Schwingungen werden
durch einen Transistor (15) aufrecht erhalten, dessen Emitter
an einer Anzapfung der Schwingkreisspule (11) liegt, dessen Kollektor
mit der positiven Stromversorgung der Fotodioden verbunden ist.
Die Basis dieses Transistors ist über einen Widerstand mit dem
Kollektor verbunden und über
eine Diode (14) mit dem nicht geerdeten Anschlusspunkt
des Resonanzkreises.
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In (III)
ist eine Abwandlung dieser Schaltung mit einer optischen Übertragungsstrecke
zwischen Betätigungsteil
und Sensorteil dargestellt.
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Ein wesentliches Element des Empfängers (3)
im Sensorteil ist hier eine Fotodiode. Bei dem Betätigungsteil
ist in Serie mit dem Kollektor in Durchlaßrichtung eine Infrarotsendediode
(18) geschaltet. Die Oszillatorschaltung des Betätigungsteils
ist hier leicht modifiziert, durch einen Serienwiderstand (16) zum
Schwingkreis, der durch einen Abblockkondensator (17) überbrückt ist.
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In (IV)
ist eine Modifikation des Betätigungsteils
in der Weise dargestellt, daß die
Basis des Oszillatortransistors durch ein Speicherelement (19)
mit vorzugsweise integrierter Batterie angesteuert ist. Dieses Speicherelement
besitzt eine fest codierte Impulsfolge, die es ermöglicht,
den Betätigungsteil
eindeutig zu identifizieren. Das Speicherelement wird nur angesprochen,
wenn ein codiertes Sendesignal, in diesem Falle eine definierte
Frequenz, von dem Aktivierungsteil (20), welches in einfachster
Weise durch einen Serienresonanzkreis für die Sendefrequenz gebildet
ist, nicht gesperrt wird.
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In (V)
ist der geometrische Aufbau von Betätigungs- oder Sensorteil dargestellt.
Ein Metallrohr (21) ist stirnseitig (22) durch eine Kunststoffscheibe verschlossen,
die für
die verwendete Wellenlänge des
Infrarotlichtes durchlässig
ist. Innerhalb dieses Gehäuses
befindet sich ein Ferritkern (23), in dem eine Spule (24)
eingebracht ist. Vor die offene Seite des Ferritschalenkernes sind
ein oder mehrere miteinander verschaltete Fotoelemente (25)
und eine Kunststoffscheibe eingebracht. Die Austrittsflächen der
Fotoelemente (25) und die Kunststoffscheibe (22) sind
mit einer möglichst
dünnen
Schicht transparenten Klebers miteinander verbunden.
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Der verbleibende freie Raum (27)
ist mit Gießharz
aufgefüllt.
Eine weitere Modifikation ist in (VI)
dargestellt. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft,
wenn die Kopplung zwischen dem optischen und induktiven Stromkreis
möglichst klein
gehalten werden muss. In dieser Anordnung weist der Ferritkern (23)
eine zentrale Bohrung (28) auf, in die das Fotoelement
eingebracht ist. Durch Erdung des Kernes kann hier eine optimale
Abschirmung zwischen dem optischen und im induktiven Stromkreis
erzielt werden.
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Eine Weiterbildung der Störaustastung
besteht darin, dass in dem schematischen Aufbau (1) innerhalb
des Signalverstärkers
(4) eine Impulsvergleichsstufe vorgesehen ist, die wegen
des simultanen Übertragungsweges
der optischen und der induktiven Strecke die Impulsfolge des Sendesignals (2)
mit der Impulsfolge am Ausgang des Empfangselementes (3),
im Sensorteil vergleicht. Nur wenn beide Impulsfolgen einander identisch
sind, wird ein Signal am Ausgang des Schaltteils (4) ausgegeben. Die
Signalausgabe am Schaltteil (4) kann zum Beispiel auch
eine codierte vorzugsweise duale Zahl sein.
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In VII ist
eine optoelektronische Rückkopplung
zwischen Betätigungs-
und Sensorteil realisiert. Der Betätigungsteil weist lediglich
einen Parallelschwingkreis auf, an dessen Anzapfung die Fotodioden
(9) angeschlossen sind. Der Sensorteil besitzt einen Eingangsparallelresonanzkreis
mit nachfolgendem Verstärker
(29), einen von einem Rechteckgenerator (Taktverhältnis 1 : 30)
angesteuerten Schalter (30), eine Wandlerstufe (31),
die das im Empfangskreis aufgenommene Sinussignal in einen Rechteckimpuls
wandelt, welcher seinerseits die Sendezeit der Sendediode (1)
festlegt, einen Verstärker
für das
gewandelte Sinus-Signal und eine logische Schaltung (34),
welche nur dann ein Schaltsignal (a) abgibt, wenn in den Schaltpausen
des Schalters (30) über
den Verstärker
(33) kein Signal, und während
der Schaltphasen ein Signal detektiert wird.