DE68919230T2 - Mittel und verfahren zum messen der induktanz. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Messung der Induktivität und insbesondere auf einen elektronisch kalibrierbaren Näherungs-, oder Induktionsschalter mit einer hochgradigen Empfindlichkeit, der gleichzeitig ökonomisch hergestellt werden kann und für den Gebrauch unter rauhen Umgebungsbedingungen geeignet ist.
• Auch wenn die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten aufweist, ist sie insbesondere für die Verwendung an fahrbaren Ausrüstungen, wie zum Beispiel Gabelstaplern, beispielsweise wie durch die Yale Materials Handling Corporation hergestellt, besonders gut geeignet, welche unter industriellen oder anderen Umgebungen verwendet werden können, wo die Schalter einer mechanischen Mißhandlung, tiefen und hohen Temperaturen, und schmutzigen und aggressiven Gasen ausgesetzt werden können.
• Üblicherweise enthalten solche Fahrzeuge eine Vielzahl von mechanischen "Mikroschaltern", die durch die Bewegung eines mechanischen Teiles am Fahrzeug gegen einen beweglichen Arm am Mikroschalter betätigt werden. Die Bewegung des Armes, einer Drehung, bewirkt das Schließen (oder Öffnen) eines elektrischen Kontaktes innerhalb des Schalters, so daß ein Anzeigesignal, daß der Schalter geschlossen oder geöffnet ist, oder ein Steuersignal als ein Eingangssignal für andere Vorrichtungen, erzeugt wird.
• Einige Anwendungsfälle für solche Mikroschalter bei Gabelstaplern sind jene in Verbindung mit dem hydraulischen Steuersystem, den Hubschaltern und den Bremsschaltern. Bei diesen Mikroschaltern wurde festgestellt, daß sie hinsichtlich der Toleranz bei der Verbindung mit Betätigungselementen des Schalters, der Montageanordnung des Schalters, der Befestigung der Drähte an dem Schalter, der Tatsache, daß die Schalter Anschluß- und Bewegungsteile aufweisen und der mechanischen Toleranz der inneren Funktion des Schalters selbst, Schwierigkeiten machen. Da darüber hinaus ein mechanischer Schalter eine leicht zu verstehende und relativ leicht auszutauschende Vorrichtung ist, ist es anzunehmen, daß er für die meisten Fehler, die die eventuelle Reparatur oder den Austausch des wahrscheinlich fehlerhaften Teiles verzögern, verantwortlich ist.
• Es sind Näherungsschalter bekannt, die LRC-Resonanzschaltungen enthalten. Wenn sich kein Metall in der Nähe der Spule der Schaltung befindet, erzeugt die Schaltung ein High-Signal. Wenn Metall in einem vorgegebenen Abstand zur Spule kommt, werden das Metall und die Spule induktiv gekoppelt, die Schaltung wird verstimmt und das Ausgangssignal der Schaltung fällt ab. Eine andere Art der bekannten Näherungsschalter ist der Magnetschalter, wie beispielsweise der Reedkontakt, der in Abhängigkeit von seiner Annäherung zu einein Magnet geöffnet oder geschlossen wird. Die Reedschalter sind unter rauhen Umgebungsbedingungen allgemein unbefriedigend, da schnelle Bewegungen oder Erschütterungen die Schalter öffnen oder schließen können. Resonanzschaltungen erfordern ein Abstimmen eines Kondensators und einer Spule und, wenn ein solcher vorgegebener Schalter in einem entsprechenden Teil einer Vorrichtung installiert wird, können andere Metalle als das Betätigungselement eine Auslösung bewirken. Resonanzschaltungen sind auch anfällig für elektrisches Rauschen und sind auf Frequenz- und Spannungsänderungen empfindlich. Beide Typen erfordern eine äußerst sorgfältige mechanische Justierung und keiner kann eine Mehrebenenlageerkennung realisieren. Beide sind relativ aufwendig und keiner kann elektronisch nachgestimmt werden, wenn er einmal installiert ist.
• Die US-A-4.649.341 (Ulrich u.a.) zeigt eine Anordnung, bei der die Lage eines beweglichen Spulenkernes durch Anlegen eines Spannungsimpulses über einer Induktionsspule bestimmt wird. Die Spule ist mit einer Meßschaltung verbunden, die einen Kondensator und einen Mikroprozessor enthält. Am Ende des Impulses wird die Spule von der Meßschaltung getrennt und der Kondensator danach über einen Widerstand entladen. Die Zeit für die Entladung des Kondensators bis auf einen vorgegebenen Spannungspegel wird durch den Mikroprozessor bestimmt und wird als Maß für die Induktivität der Spule verwendet.
• Die GB-A-2040054 (Eldec Corp.) bezieht sich auf einen Näherungsschalter, bei dem die Annäherung eines Objektes an eine Spule durch Anlegen eines Stromimpulses an eine RC-Sensor-Einheit und Messen der Spannung über der Einheit bestimmt wird. Wenn die Spannung einen vorgegebenen Bezugspegel erreicht, wird die Spannung auf diesem Pegel gehalten und die Änderungsrate des Stromes der Sensoreinheit gemessen, wenn der Strompegel durch Null geht, um so die Induktivität der Spule herzuleiten.
• In der DE-A-2852637 wird eine Anordnung beschrieben, in der ein Komparator einen Eingang aufweist, der mit der Verbindungsstelle von in Reihe geschalteten Spulen und Widerständen verbunden ist. An die Spule wird eine Kette von Rechteckimpulsen angelegt, und wenn der Spannungseingang am Komparator vor dem Ende der vorgegebenen Pulsfolge unter einen vorgegebenen Pegel abfällt, wird das Zeitintervall zwischen diesem Ereignis und dein Ende der Pulsfolge bestimmt, um den Induktivitätswert herzuleiten.
• Die US-A-4.701.676 verwendet Spulen in einem Impedanznetzwerk, das mit einer Lampe verbunden ist. Wenn die Lampe berührt wird, ändert sich die Resonanzfreguenz der Kombination des Impedanznetzwerkes und der Lampe und die damit verbundene Schaltung schaltet die Lampe ein.
• Ein Ziel der Erfindung besteht darin, einen induktiven Schalter zu liefern, der nach der Installation elektronisch abstimmbar ist.
• Entsprechend einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist ein induktiver Schalter vorgesehen, enthaltend: eine Induktoreinrichtung; hinsichtlich der Spule bewegbare Betätigungselemente, wobei die Bewegung die Induktivität der Induktoreinrichtung beeinflußt; und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Impulses mit vorgegebener Dauer an die Induktoreinrichtung; und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter weiterhin Mittel zum Messen des Pegels des Stromes direkt von der Induktoreinrichtung in einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Auslösung des Impulses enthält und einen Schaltsignalausgang erzeugt, wenn der Pegel des Stromes oberhalb eines vorgegebenen Wertes ist.
• Das Meßmittel bleibt vorzugsweise direkt mit der Induktoreinrichtung verbunden, bis der Pegel des Stromes gemessen ist. Die Messung kann mit Hilfe eines mit der Induktoreinrichtung verbundenen Abtastwiderstandes und einer an den Abtastwiderstand angeschlossenen Schaltung ausgeführt werden, um die Spannung über dem Abtastwiderstand am Ende des vorgegebenen Intervalles mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Somit wird der Schalter getriggert, wenn ein vorgegebener Wert des Stromes erreicht ist. Eine Vielzahl von Induktoren kann durch eine elektronische Schaltung sequentiell abgefragt werden, so daß wenig Energie benötigt wird, und eine gleichmäßige Arbeitsweise bewirkt wird. Die Einstellung des Schaltpunktes wird nach der mechanischen Installation elektronisch ausgeführt, das heißt, eine innere Kompensation mechanischer Toleranzen und Näherungseffekte.
• Das Betätigungsmittel kann ein Betätigungsstift sein, der mit einem Betätigungsgriff, einem Bremspedal oder einem Hubpedal eines Gabelstaplers verbunden sein, wobei die Bewegung solch eines Handgriffes oder Pedales den Betätigungsstift veranlaßt, sich in oder aus einer Bohrung zu bewegen, die in der Spule ausgebildet ist, wodurch eine Änderung der Induktivität der Spule verursacht wird.
• In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein induktiver Schalter geschaffen, der unempfindlich ist und unter rauhen Umgebungsbedingungen bei großen Temperaturänderungen verwendet werden kann. Der bevorzugte Schalter ist sehr genau, noch ökonomisch herzustellen, leicht zu installieren und erfordert wenig Wartung. In ihrer bevorzugten Form liefert die vorliegende Erfindung einen induktiven Schalter, so daß, wenn eine Vielzahl von Schaltern in einer Anwendung verwendet werden, die Bedingungen aller solcher Schalter nacheinander und schnell durch eine einzige elektronische Schaltung bestimmt werden können. Der bevorzugte induktive Schalter kann leicht anstelle eines Mikroschalters montiert werden.
• Die Erfindung umfaßt auch ein Verfahren zur Messung der Induktivität eines Induktors, einschließlich des Anlegens eines elektrischen Impulses vorgegebener Länge an den Induktor, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Messen des Pegels des Stromes direkt von dem Induktor in einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Auslösung eines elektrischen Impulses, wobei der Strom proportional dem Wert der Induktivität des Induktors ist.
• Die Erfindung soll nachfolgend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
• Figur 1A und 1B ein schematisches elektrisches Schaltbild eines induktiven Schaltsystems enthält, das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
• Figur 1C die Anordnung der Seiten mit den Figuren 1A und 1B zeigt, wenn diese zusammengefügt sind;
• Figur 2 eine Querschnittsdarstellung eines induktiven Elementes zur Verwendung in dem System nach Figur 1 ist;
• Figur 3 eine teilweise Rückansicht eines Gabelstaplers unter Verwendung eines induktiven Schalters entsprechend der Erfindung darstellt;
• Figuren 4 und 5 teilweise Seitenansichten eines Gabelstaplers mit einem induktiven Schalter entsprechend der Erfindung darstellen;
• Figuren 6 und 7 eine Teilrückansicht eines Gabelstaplers mit einem induktiven Schalter entsprechend der Erfindung darstellen; und
• Figur 8 ein schematisches elektrisches Schaltbild eines Teiles eines alternativen induktiven Schaltsystems entsprechend der Erfindung ist.
• Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigen die Figuren 1A und 1B ein induktives Schaltsystem, was allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, das Induktoren 12, 13, 14 und l5 enthält, ein Beispiel der Induktoren ist der Induktor 12, der in Figur 2 im Schnitt dargestellt ist. Mit jedem dieser Induktoren 12, 13, und 15 sind entsprechende Lageerkennungsschaltungen 18, 19 und 22 verbunden. Mit dem Induktor 14 sind die Lageerkennungsschaltungen 20 und 21 verbunden, wobei die Funktion dieser zwei Lageerkennungsschaltungen nachfolgend im Detail beschrieben wird.
• Der Aufbau und die Funktion eines Induktors und dessen angeschlossenen Lageerkennungsschaltung wird nur unter Bezugnahme auf den Induktor 12 und die Lageerkennungsschaltung 18 beschrieben, da es ersichtlich ist, daß die anderen Induktoren und Lageerkennungsschaltungen identisch zu den anderen konstruiert sind, mit der Ausnahme, daß der Induktor 14 zwei angeschlossene Lageerkennungsschaltungen hat.
• Der Induktor 12 ist, wie dargestellt, mit einem ersten Ende 26 verbunden, um elektrische Impulse von einem 1: 10-Ringzähler 28 zu empfangen, der als Eingang eine 7,68 kHz Frequenz empfängt. Zwischen dem 1:10-Ringzähler 28 und dem Induktor 12 ist ein Faktor 1 Operationsverstärker 30 geschaltet und dient als Puffer, um eine Trennung zu bewirken. Das zweite Ende 32 des Induktors 12 ist mit der Lageerkennungsschaltung 18 verbunden, um ein Eingangssignal für einen Komparator 34 zu liefern und ist weiterhin über einen Abtastwiderstand 35 mit Masse verbunden. Die Bezugsspannung für den Komparator 34 wird durch ein Potentiometer 36 und dessen zugehöriges Widerstandsnetzwerk bestimmt. Der Ausgang des Komparators 34 liefert einen Dateneingang für das Meß-Flip-Flop 38. Das Meß-Flip-Flop 38 ist zur Synchronisierung durch den 1:10-Ringzähler mit diesem verbunden und liefert ein Ausgangssignal an einem Anschluß 40, wobei dieser Ausgang mit anderen üblichen Schaltungen für Anzeige- oder Steuerzwecke verbunden ist. Das Meß- Flip-Flop 38 erzeugt auch ein invertiertes Ausgangssignal für die Bezugsseite des Komparators 34 durch einen Rückkopplungswiderstand 42. Am invertierten Ausgang des Meß-Flip-Flops 38 kann eine LED 44 angeschlossen sein, um die Lage des Schalters anzuzeigen.
• Aus Figur 2 ist ersichtlich, daß der Induktor 12 einen kanalförmigen Spulenkörper 50 aufweist, auf den eine Spule 52 gewickelt ist. Im Spulenkörper 50 ist zentrisch zum Induktor 12 eine Bohrung 54 ausgebildet. Der Spulenkörper 50 ist so angeordnet, daß die Bohrung 54 zu einem Betätigungsstift 56 axial ausgerichtet ist, der von einer Position, die in fetten Linien gezeichnet ist, zu der Position, die in gestrichelten Linien gezeichnet ist, bewegbar ist, wo er sich teilweise in einen Teil der Bohrung, um die die Spule 52 gewickelt ist, erstreckt. Der Betätigungsstift 56 kann sich auch durch den Induktor 12 erstrecken, so daß er sich von der Seite des Spulenkörpers 50 erstreckt, die gegenüber der Seite liegt, von der er hineingefahren ist (nicht dargestellt). Der Induktor 12 kann auch einen Konzentrator 58 gegenüber einer Seitenwand des Spulenkörpers 50 enthalten. Dem Betätigungsstift 56 wird unterstellt, daß er beispielsweise mit einem beweglichen Teil einer Maschine (nicht dargestellt) funktionell verbunden ist, wo es gewünscht ist, daß eine gewählte Stellung des Teiles eine Änderung des Ausgangssignales am Anschluß 40 verursacht (Figur 1).
• Für Zwecke der Erläuterung und im Zusammenhang mit der üblichen Praxis beim Befassen mit Ausrüstungen, wie Gabelstaplern, ist die "Eisen in"-Bedingung, wenn der Betätigungsstift 56 (Figur 2) in den Induktor 12 eingesetzt ist oder seinen "Triggerpunkt" passiert, das heißt die inaktive oder "aus"- Bedingung. Entsprechend ist die "Eisen aus"-Bedingung, wenn der Betätigungsstift 56 aus dem Induktor 12 aus dem Triggerpunkt herausgezogen ist, die aktive, oder "ein"-Bedingung. Das ist die bevorzugte Anordnung, da ihr eine Fehlersicherheit innewohnt, da ein gebrochener Draht in der Systemschaltung oder ein Kurzschluß in der Treiberschaltung der Lageerkennungsschaltung als undefinierte Induktivität erscheint. Demgemäß wird die Funktion, die durch den Schalter gesteuert wird, in ihrer aus-Stellung verbleiben, wenn solch ein Fehler eintritt.
• Für die Beschreibung der Wirkungsweise des induktiven Schalters wird vorausgesetzt, daß der Betätigungsstift 56 in seiner mit fetten Strichen gezeichneten, oder Eisen-aus, Stellung ist, die in Figur 2 dargestellt ist, oder sich sonst nicht in den Induktor 12 zu seinem Triggerpunkt erstreckt, aber bei seiner Bewegung in Richtung zu der mit getrichelten Linien, oder Eisen-in Stellung, wird angenommen, daß er am oder nach dem Triggerpunkt ist Der 1:10-Ringzähler 28 liefert einen relativ kurzen ersten Sprungimpuls des Stromes auf ein Potential von etwa 5 Volt zu dem Induktor 12 durch den Operationsverstärker 30. Die Induktivität des Induktors 12 ist hier auf einem relativ niedrigen Pegel, so daß ein relativ hoher Stromfluß durch den Induktor möglich ist und einen relativ hohen Spannungseingang für den Komparator 34 liefert, wobei die Spannung diejenige ist, die über dem Abtastwiderstand 35 abfällt. Da diese Spannung sich oberhalb der Bezugsspannung des Komparators 34 von etwa plus oder minus 2,5 Volt befindet, wird ein Spannungsanstieg über dem Rückkopplungswiderstand 42 erzeugt, so daß der Ausgang des Komparators und deshalb auch der Dateneingang des Meß-Flip-Flops 38 den High-Zustand einnimmt, der, wenn das Meß-Flip-Flop nachfolgend durch den 1:10- Ringzähler getriggert wird, einen High-Ausgang am Anschluß 40 und ein Low-Ausgangssignal am Rückkopplungswiderstand 42 erzeugt. Das letztere Ausgangssignal schaltet die LED 44 ein. Nach einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Auslösung des ersten Sprungimpulses, vorzugsweise am Ende des ersten Impulses, wird ein zweiter Sprungimpuls erzeugt, der an den Induktor 13 angelegt wird und gleichzeitig triggert der zweite Sprungimpuls das Meß-Flip-Flop 38, welches, wenn keine Änderung der Bedingungen vorliegt, keine Änderung des Zustandes des Meß-Flip-Flops veranlaßt, welches ein High-Signal am Anschluß 40 und ein Low-Signal am Rückkopplungswiderstand 42 ausgibt.
• Diese Folge wird mit einem dritten erzeugten Impuls fortgesetzt, der an den Induktor 14 angelegt wird und gleichzeitig das Meß-Flip-Flop der Lageerkennungsschaltung 19, usw. triggert. Auf diese Weise werden Impulse sequentiell an jeden Induktor an der Schaltung 10 angelegt, wobei jeder Impuls gleichzeitig das mit dem Induktor verbundene Meß-Flip-Flop, an das der vorhergehende Impuls angelegt wurde, triggert.
• Die Abfrageimpulse werden vorzugsweise am Ende des Stromanstiegsimpulses angelegt, wobei die Abfrageimpulse auch etwas vor oder etwas nach dem Ende des Stromanstiegsimpulses angelegt werden können. Die sequentielle Ansteuerung und Triggerung sorgt für eine niedrige und gleichmäßige Belastung der Spannungsquelle und sorgt für eine gleichmäßige Funktion des Systems, wobei es jedoch keine Bedingung für die Anwendung der Erfindung ist, daß ein Folgeimpuls für das Abfragedaten-Flip- Flop verwendet wird oder daß die beschriebenen sequentiellen Schritte für Anzeigezwecke verwendet werden.
• Es wird jetzt angenommen, daß der Induktor 12 eine Anzahl von Impulsen ohne Änderung am Ausgang des Meß-Flip-Flops 38 erhält; aber daß, bevor der Induktor den nächsten Impuls erhält, der Betätigungsstift 56 den Triggerpunkt, oder die "Eisen in" Bedingung in dem Induktor erreicht hat. Jetzt wird bei diesem Impuls die Induktivität in der Spule 52 relativ hoch, der Strom durch die Spule wird relativ niedrig und ebenso der Pegel des Spannungseinganges am Komparator 34, der ein low-Signal an das Meß-Flip-Flop 38 liefert. Wenn dann das Meß- Flip-Flop durch den nächsten Impuls durch den Induktor 13 getriggert wird, wird der Zustand des Flip-Flops umgeschaltet und ein Low-Signal erscheint am Anschluß 40 und ein High-Pegel am Rückkopplungswiderstand 42 und der LED 44 angelegt, so daß die LED erlöscht. Der Rückkopplungswiderstand 42 addiert einen geringen Betrag zu der Bezugsspannung am Komparator 34, so daß eine geringe Hysterese in der Schaltung erzeugt wird, um ein elektronisches Flattern oder Schwingen zu verhindern.
• Wenn der Betätigungsstift 56 aus der Bohrung 54 zurückgezogen wird, wird der Triggerpunkt wieder erreicht, der Komparator 34 weist ein hohes Ausgangssignal auf, und wenn das Meß-Flip-Flop 38 nachfolgend getriggert wird, wird dessen Ausgangssignal auf den Originalwert umschalten, die LED 44 wird angesteuert und der Rückkopplungswiderstand 42 wird einen geringen Betrag von der Bezugsspannung abziehen.
• Wie vorstehend erwähnt, besitzt der Induktor 14 zwei angeschlosse Lageerkennungsschaltungen 20 und 21, die parallel zum Ausgang des Induktors geschaltet sind. Diese Anordnung illustriert eine besondere Fortbildung, die in der Lage ist, zwei Schaltpunkte mit einem einzigen Betätigungselement zu erzeugen. Ausgeführt wird das durch Justieren der Potentiometer in den Lageerkennungsschaltungen 20 und 21, so daß jeder auf einen unterschiedlichen Grad der Einführung eines Betätigungsstiftes in den Induktor 14 reagiert, so daß zwei Steuerfunktionen mit dem gleichen Induktorelement ermöglicht werden. Um eine bessere Unterscheidung zwischen den beiden Schaltpunkten zu erreichen, kann man dem Betätigungsstift in Längsrichtung eine unterschiedliche Form geben, beispielsweise durch einen Sprung des Durchmessers des Stiftes. Es kann auch in einigen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, einen Stift zu verwenden, der Abschnitte sowohl aus ferromagnetischen und paramagnetischen Materialien, wie beispielsweise Weicheisen und Aluminium, aufweist. Selbstverständlich ist die Anzahl der Schaltpunkte mit einer einzigen Spule nicht auf zwei begrenzt. Es ist auch nicht erforderlich, daß der Betätigungsstift einen runden Querschnitt aufweist, aber es ist vorteilhaft, daß der Stift den gleichen Querschnitt besitzt wie die Bohrung des Induktors. Ein wichtiger Umstand der vorliegenden Erfindung ist, daß die Mehrzahl von Schaltpunkten, oder nicht, elektronisch ausgeführt werden kann, nachdem die Spule installiert ist und keine mechanischen Justiervorgänge erfordert.
• Bei einigen nachträglichen Anwendungsfällen kann die Verwendung eines zusammengesetzten Betätigungsstiftes besonders vorteilhaft sein. Ein solcher Anwendungsfall ist, wenn ein vorhandenes ferromagnetisches Element, welches man als ein Betätigungsstift zu verwenden wünscht, mit anderen Elementen an beiden Enden versehen ist. Deshalb kann dann, wenn ein Induktor um den Betätigungsstift positioniert ist, eine "Eisen aus" Bedingung nicht erreicht werden, und der Induktor wird eine relativ konstante hohe Induktivität unabhängig von der Stellung des Stiftes aufweisen. Hier ist die Lösung, eine dünne Kupferhülse über einem Teil des Stiftes zu plazieren, um diesen Teil vor dem Induktor zu schützen. Die Kupferhülse ist so positioniert, daß dann, wenn dieser Teil des Stiftes auf dem die Hülse montiert ist, in den Induktor eingesetzt wird, die Induktivität niedrig bleibt und eine "Eisen aus"-Bedingung wird erreicht und wenn dieser Teil des Stiftes, auf dem die Hülse montiert ist, aus dem Induktor zurückgezogen wird, die Induktivität hoch wird und eine "Eisen in"-Bedingung erreicht wird. Die Kupferhülse schützt jedoch den Stift nicht in dem Maße, daß der Induktor reine Luft "sieht", der Unterschied ist jedoch ausreichend, um eine erfolgreiche Ausführung realisieren zu können. Die Kupferhülse wird vorzugsweise durch Kleben mit dem Stift verbunden.
• Ein besonderer Vorteil des beschriebenen Schalters ist, daß dieser keine Einzelteile enthält, die einen Abstimmvorgang erfordern, wie beispielsweise LRC-Schaltungen und der Schalter kann nach dessen Installation in der Anordnung elektronisch kalibriert werden. Beispielsweise kann das Induktorelement innerhalb angemessener Grenzen in einem Teil der Maschine montiert werden, ohne Rücksicht auf exakte Toleranzen oder spezielle Bedingungen hinsichtlich der Nähe ferromagnetischer Materialien, die mit dem Schalter keine Beziehung haben. Dann wird irgend etwas (üblicherweise ein Stift), dessen Bewegung den Schalter betätigen soll, zu dem gewünschten Schaltpunkt bewegt und das Potentiometer in der Lageerkennungsschaltung justiert, um den exakten "Schaltpunkt" zu bestimmen. Ein solches Mittel zur Kalibrierung kompensiert Ungenauigkeiten bei der physikalischen Montage des Induktorelementes und seines zugehörigen Betätigungsstiftes ebenso wie jedes Schlagen des Stiftes, Metallteile in der Nähe des Induktorelementes und auch Abweichungen in der Konstruktion des Induktorelementes selbst.
• Für das beschriebene induktive Schaltsystem hat sich ein Impulsintervall in der Größenordnung von etwa 130 Mikrosekunden als erfolgreich erwiesen, wobei sich die Impulsintervalle zwischen 10 Mikrosekunden und etwa einer Millisekunde bewegen können. Wegen der Kürze der Impulse kann eine große Anzahl von Schaltern sequentiell abgefragt werden. Das untere Ende des Bereiches der Impulslängen wird durch das, was die praktische Elektronik verarbeiten kann, begrenzt, während das obere Ende des Bereiches durch die erforderliche höhere Induktivität begrenzt wird. Die Breite des Abfrageimpulses kann passend im gleichen Zeitintervall wie des Ansteuerimpulses gewählt werden, kann jedoch auch kürzer gewählt werden. Bei der Auswahl der Werte der Komponenten und der Impulszeiten muß berücksichtigt werden, daß der Induktor vorzugsweise auf einen Null- Pegel oder im wesentlichen einen Null-Pegel entladen werden sollte, bevor der erfolgreiche Impuls angelegt wird. Es ist auch wünschenswert, daß die Lagekurve zwischen der Induktivität und dem Betätigungsstift ziemlich linear ist und in das Gebiet des Schaltpunktes eintaucht. Die Verwendung eines Induktors als Konstantstromquelle führt zum Glätten und hält das System geräuschfrei.
• Hinsichtlich der Werte der in Figur 1 dargestellten Komponenten sind eine Induktionsspule mit etwa 4680 Windungen aus #39 AWG Kupferdraht (annähernd 223 Meter (8760 Zoll)) mit einem inneren Durchmesser von etwa 9,8 mm (0,385 Zoll) und einer Länge von etwa 9,1 mm (0,360 Zoll) eine erfolgreiche Ausführungsform. So eine Spule besitzt eine Induktivität von etwa 218 Millihenry und einen Widerstand von etwa 622 Ohm bei 25 Grad Celsius. Es wurde herausgefunden, daß das beschriebene induktive Schaltsystem genau ist und in wenigstens einigen Tausendstel eines Zolls wiederholbar ist und eine Temperaturunabhängigkeit über einen ziemlich großen Bereich besitzt; wenn jedoch einige Anwendungsfälle einen nicht tolerierbaren Temperaturkoeffizienten zwischen Lage und Induktivität erzeugen, sollte innerhalb der Spulenanordnung oder innerhalb der elektronischen Schaltung eine Temperaturkompensation, mit Hilfe im Stand der Technik bekannter Mittel, vorgesehen werden.
• Es wurde herausgefunden, daß die Verwendung eines Konzentrators die Länge der Übertragungsfunktion des Induktors verlängert, ohne daß die Verwendung einer längeren Spule erforderlich ist. Eine ähnliche Verlängerung kann durch die Verwendung mehrfach geschichteter Spulen und/oder daß es zugelassen wird, daß sich der Betätigungsstift durch die Bohrung des Induktors erstreckt, erreicht werden. Dieser Verlängerungseffekt kann von besonderer Bedeutung sein, wenn der Induktor nach der vorliegenden Erfindung beispielsweise für, sagen wir, einen Mikroschalter in einer vorhandenen Anwendung ersetzt werden soll.
• Das Material des Betätigungsstiftes eines Induktors ist vorzugsweise Weicheisen und der Konzentrator wird vorzugsweise aus kaltgewalztem Stahl hergestellt, das System ist jedoch ziemlich tolerant hinsichtlich Legierungsänderungen. Für eine Spule entsprechend der vorstehenden Abmessungen sollte der Konzentrator wenigstens 0,06 Zoll dick sein und sich zum äußeren Umfang der Wicklung des Induktors erstrecken. Das Konzentratorelement kann auch eine Klammer sein, auf der der Induktor montiert ist. Es wurde herausgefunden, daß, wenn sich der Durchmesser des Konzentrators über den äußeren Umfang der Spule erstreckt, dieser im wesentlichen die gleiche Wirkung hat, wie eine Stahlplatte mit unbestimmten Abmessungen. Durch Standardisierung des Materiales, das sich unmittelbar gegenüber dem Induktor befindet, in dem der Konzentrator die äußeren Abmessungen aufweist, die etwa mit der Spule übereinstimmen, werden Annäherungseffekte durch Ausgleichen verringert und dadurch die Installation vereinfacht, da der Nutzer die gleiche Ausführung erhält, unabhängig davon, ob der Induktor auf Metall mit einer größeren oder kleineren Fläche montiert ist.
• Der Spulenkörper kann aus irgend einem verfügbaren dielektrische Material hergestellt werden, wobei herausgefunden wurde, daß sich glasgefülltes Nylon als besonders geeignet erweist.
• Es ist zu sehen, daß alle Teile des induktiven Schaltsystems herkömmliche sind und in der Wirkung das System nicht präzise Teile verwendet werden, um eine sehr präzise Vorrichtung zu erreichen. Wie vorstehend ausgeführt, kann der Betätigungsstift jener sein, der schon in einer vorhandenen Situation existiert und der verwendete Induktor kann jener sein, der vorher in einem LRC-Schalter verwendet wurde, so daß insgesamt keine mechanischen Änderungen erforderlich sind - es wird nur erforderlich sein, die Elektronik des Systemes anzuschließen. Da der Strom von dem Induktor durch einen Widerstand gemessen wird, sind in dem System keine Komponenten enthalten, die ein Abstimmen erfordern. Das induktive Schaltsystem besitzt nur ein bewegliches Teil - den Betätigungsstift - und keine ungeschützten Kontakte, ist sehr unempfindlich und umgebungssicher und, falls erforderlich, kann die Elektronik weit entfernt von Gebieten, die für sie schädlich ein könnten, montiert werden.
• Die Figuren 3 bis 7 illustrieren die Anwendung des Systemes für verschiedene Funktionen in einem Gabelstapler, der allgemein mit der Bezugsziffer 62 bezeichnet ist. In jedem Fall wird angenommen, daß der Induktor einen Mikroschalter oder ein anderes Schaltelement, welches die vorstehend diskutierten unerwünschten Merkmale aufweist, ersetzt.
• Die Figuren 3 und 4 zeigen den Plattform-Hub/Senk-Schaltmechanismus, der allgemein mit der Bezugsziffer 64 bezeichnet ist, der mit einem Steuerhandgriff 66 mechanisch gekoppelt ist. Der Schaltmechanismus 64 enthält Betätigungsstifte 68 und 70, bei dem die Stifte so angeordnet sind, daß eine entsprechende Bewegung des Steuerhandgriffes 66 die Stifte axial in oder aus den Induktoren 72 und 74 bewegt. So wird, wenn der Steuerhandgriff 66 angehoben wird, der Betätigungsstift 68 in den Induktor 72 vorrücken und der Betätigungsstift 70 aus dem Induktor 74 herausgezogen. Die Zurückziehung des Betätigungsstiftes 70 aus dem Induktor 74 und aus seinem Schaltpunkt in seine Eisen aus-Stellung, veranlaßt die Plattform des Gabelstaplers nach oben zu fahren. Das Absenken des Steuerhandgriffes 66 kehrt die Bewegung der Betätigungsstifte 68 und 70 um und ein Zurückziehen des Betätigungsstiftes 68 aus dem Induktor 72 und aus seinem Schaltpunkt, in seine Eisen aus-Stellung, veranlaßt die Plattform nach unten zu fahren.
• Die Figuren 5 und 6 zeigen die Anordnung eines Bremsschaltinduktors 82 und dessen zugehörigen Betätigungsstift 84. Der Betätigungsstift 84 wird in den Induktor 82 hineinbewegt oder aus diesem herausbewegt, durch Loslassen oder Drücken des Bremspedales 86, welches die Achse 88 dreht.
• Die Figuren 5 und 7 zeigen die Anordnung des Plattformschaltinduktors 94 und dessen zugehörigen Betätigungsstift 96. Wenn hier das Pedal 97 des Gabelstaplers 62 niedergedrückt wird, wird der Bolzen 98 abwärts gedrückt, die Feder 100 zusammengedrückt und der Betätigungsstift 96 aus dem Schaltpunkt des Plattformschalters zurückgezogen. Ebenso veranlaßt ein Loslassen des Pedales 97 den Betätigungsstift 96 sich in den Induktor 94 zu bewegen. Die Figur 7 zeigt weiterhin eine bedeutende Verbesserung des induktiven Schalters der vorliegenden Erfindung, der in der Lage ist, einen großen Betrag an Überregelung zu tolerieren, was die meisten mechanischen Schalter nicht können.
• Figur 8 zeigt einen Teil einer Lageerkennungsschaltung 18 nach Figur 1A, die allgemein durch das Bezugszeichen 18' bezeichnet ist, deren Elemente, die der Figur 1A entsprechen, mit einem Strich versehene Bezugszeichen erhalten haben, gemeinsam mit deren zugehörigen Induktor 12' und dem Operationsverstärker 30'. Zusätzlich zu den gemeinsamen Elementen, die in Figur 1A dargestellt sind, ist ein Widerstand 110 in die Rückführungsschleife des Operationsverstärkers 30' eingesetzt, ein geerdeter Kondensator 112 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden und ein Kondensator 114 über den Widerstand 35' geschaltet. Die Ausführung, die in Figur 8 dargestellt ist, ist besonders geeignet, wenn die Eingangsleitung für den Operationsverstärker 30' relativ lang ist und in einer Umgebung angeordnet ist, wo elektromagnetisch eingekoppelte Einschwingspannungen erzeugt werden können. Das ist besonders zutreffend im Falle von elektrisch angetriebenen Gabelstaplern, wo der Pulsantrieb für den Elektromotor Ströme von 200 bis 300 Ampere schalten kann. Mit der Lageerkennungsschaltung 18 auf Figur 1 kann die Übertragung hoch genug sein, daß, in Abhängigkeit von den angegebenen Einzelteilen, der Operationsverstärker 30 aus seinem allgemeinen Arbeitsbereich herausfährt und sperrt.
• In der Lageerkennungsschaltung 18', schützt der Kondensator 112 den Ausgang des Operationsverstärkers 30' vor einer zu schnellen Reaktion, da der Widerstand 110 den Strom, der zurückgeführt werden kann, begrenzt. Auf ähnliche Weise dient der Kondensator 114 dazu, irgendwelche Effekte der Einstreuungen, die die Lageerkennungsschaltung 18' passieren können, zu entladen. Die Werte des Widerstandes 110 und des Kondensators 112 und 114 sind so gewählt, daß diese Elemente sich mit der normalen Funktion nicht überlagern.
• Die Elektronik (nicht dargestellt), die mit den in den Figuren 3 bis 8 dargestellten Induktoren versehen ist, kann entfernt von den Spulen angeordnet werden und kann sich in einer vollständig verschlossenen Struktur am Gabelstapler 62 befinden, da ein Zugang normalerweise nur für Zwecke der Einstellung erforderlich ist. Mit der so geschützten Elektronik ist nichts innerhalb des Schaltsystemes anfällig für Fehler infolge Schmutzbelastung, Staub oder einem Maß von Mißbrauch. Die induktiven Elemente selbst sind durch einen normalen Fachmann leicht austauschbar.
• Einige Überlegungen bei der Gestaltung der Induktoren und der Messung der Induktivität sind in "Inductance Calculations", durch Frederick W. Grover, 1980, veröffentlicht durch die Instrument Society of America und "Absolute Measurements in Electricity and Magnetism" durch Andrew Gray, 1976, veröffentlicht durch Dover Publications, diskutiert worden.

Claims (29)

1. Induktiver Schalter enthaltend: eine Induktoreinrichtung (12; 13; 14; 15); Betätigungselemente (56), die hinsichtlich der Induktoreinrichtung bewegbar sind, wobei die Bewegung die Induktivität der Induktoreinrichtung beeinflußt; und Mittel (28, 30) zum Anlegen eines elektrischen Impulses vorgegebener Länge an die Induktoreinrichtung; und dadurch gekennzeichnet ist, daß der Schalter weiterhin Mittel (18; 19; 20; 21; 22) zum Messen des Strompegels direkt von der Induktoreinrichtung in einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Auslösung des Impulses enthält und um einen Schaltsignalausgang zu liefern, wenn der Pegel des Stromes oberhalb eines vorgegebenen Wertes ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (18; 19; 20; 21; 22) zum Messen direkt mit der Induktoreinrichtung (12; 13; 14; 15) verbunden bleiben, bis der Pegel des Stromes gemessen ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen einen Meßwiderstand (35), der mit der Induktoreinrichtung verbunden ist, und eine Schaltung (34, 38), die mit dem Meßwiderstand (35) verbunden ist, enthalten, um die Spannung über dem Meßwiderstand (35) zum Ende des vorgegebenen Intervalles mit einer Bezugsspannung zu vergleichen.

4. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Messen (18; 19; 20; 21; 22) enthalten

a) einen Komparator (34) mit einer Bezugsspannung, die an einem ersten Eingang angelegt ist und den Ausgang (32) der Induktoreinrichtung aufweist, der mit einem zweiten Eingang verbunden ist; und

b) einen Meßwiderstand (35), der zwischen dem Ausgang (32) der Induktoreinrichtung und Masse geschaltet ist; wodurch, wenn eine Folge von Impulsen die Induktivität der Induktoreinrichtung veranlaßt, daß der Pegel des Stromes auf den vorgegebenen Pegel ansteigt, so daß sich der Ausgang des Komparators (34) ändert.

5. Schalter nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Meß- Flip-Flop (38), das angeschlossen ist, um den Ausgang des Komparators(34) als seinen Dateneingang zu empfangen.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Mitteln (28, 30) eine zweite Induktoreinrichtung zum Anlegen eines elektrischen Impulses verbunden ist und daß das Meß-Flip-Flop (38) angeschlossen ist, um die elektrischen Impulse, die an die zweite Induktoreinrichtung angelegt werden, als seine Triggerimpulse zu empfangen, so daß, wenn die Impulse einer Impulsfolge den Dateneingang des Meß-Flip-Flops (38) ändert, die nächsten folgenden Impulse der Impulsfolgen das Meß-Flip-Flop (38) triggert, um dessen Status zu ändern und auf diese Weise an deren Ausgängen anzuzeigen.

7. Schalter nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) ein nichtinvertierender Ausgang des Meß-Flip-Flops (38) zum Anschluß an die Schaltung vorgesehen ist, um ein Signal des nichtinvertierenden Ausganges als Ausgang des Schalters zu empfangen; und

b) daß ein Rückkopplungswiderstand (42) zwischen einem invertierenden Ausgang des Meß-Flip-Flops (38) und dem ersten Eingang des Komparators (34) angeschlossen ist.

8. Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Dauer im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden bis etwa 1 Millisekunde liegt.

9. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gewählte Dauer im Bereich von etwa 130 Mikrosekunden liegt.

10. Schalter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktoreinrichtung eine Drahtspule (52) enthält.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktoreinrichtung weiterhin einen Konzentrator (58) enthält, der an einem Ende der Drahtspule angeordnet ist, um die Übertragungsfunktion der Induktoreinrichtung zu erweitern.

12. Schalter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Umfang des Konzentrators (58) wenigstens mit dem äußeren Durchmesser der Spule (52) übereinstimmt.

13. Gabelstapler einschließlich eines induktiven Schalters wie in einem der vorstehenden Ansprüche beansprucht, der an diesem montiert ist.

14. Gabelstapler nach Anspruch 13, mit einem Plattform-Steuerhandgriff (66), dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Schalter weiterhin einen Betätigungsstift (68; 70) enthält, der funktionell mit dem Steuerhandgriff gekoppelt ist, wobei die Anordnung so ist, daß eine Bewegung des Handgriffes den Betätigungsstift in oder aus einer Bohrung, die in der Spule (72, 74) definiert ist, bewegt, so daß eine Änderung der Induktivität der Spule (72; 74) bewirkt wird.

15. Gabelstapler nach Anspruch 13, mit einem Bremspedal (86), dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Schalter weiterhin einen Betätigungsstift (84) enthält, der funktionell mit dem Bremspedal (86) verbunden ist, wobei die Anordnung so ist, daß eine Bewegung des Bremspedales den Betätigungsstift in oder aus einer Bohrung, die in der Induktoreinrichtung (82) definiert ist, bewegt, so daß die Induktivität der Induktoreinrichtung geändert wird.

16. Gabelstapler nach Anspruch 13 mit einem Plattformpedal (97), dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Schalter weiterhin einen Betätigungsstift (96) enthält, der funktionell mit dem Plattformpedal verbunden ist, wobei die Anordnung so ist, daß eine Bewegung des Plattformpedales den Betätigungsstift in oder aus einer Bohrung, die in der Induktoreinrichtung (94) definiert ist, bewegt, so daß die Induktivität der Induktoreinrichtung geändert wird.

17. Verfahren zur Messung der Induktivität einer Spule (12; 13; 14; 15), einschließlich des Anlegens eines elektrischen Impulses einer vorgegebenen Dauer an den Induktor, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch Messen des Pegels des Stromes direkt von dem Induktor in einem vorgegebenen Zeitintervall nach der Auslösung des elektrischen Impulses, wobei der Strom proportional zum Wert der Induktivität des Induktors ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Stromes durch eine Schaltungsanordnung in (34, 38) gemessen wird, die direkt mit dem Induktor verbunden ist, bis der Pegel gemessen ist.

19. Verfahren nach Anspruch 17 weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der Pegel des Stromes durch eine Anordnung mit einem Meßwiderstand (35) gemessen wird, der mit dem Induktor verbunden ist und einer Schaltung (34, 38), die die Spannung über dem Meßwiderstand (35) zum Ende des vorgegebenen Intervalles mit einer Bezugsspannung vergleicht.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität des Induktors durch Bewegen eines Betätigungselementes in Bezug auf den Induktor geändert wird und daß ein Spannungsausgang des Induktors über einen Meßwiderstand (35), der zwischen einem Ausgang des Induktors und Masse geschaltet ist, an einen ersten Eingang eines Komparators angeschlossen ist, dessen zweiter Eingang eine Refferenzspannung empfängt, wodurch, wenn eine Folge der Impulse die Induktivität des Induktors beeinflußt um den Pegel des Stromes auf einen vorgegebenen Pegel anzuheben, sich der Ausgang des Komparators ändert.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangswert des Komparators durch ein Meß-Flip-Flop als sein Dateneingangssignal erhalten wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse, die an einen anderen zu messenden Induktor angelegt werden, durch das Meß-Flip-Flop als seine Triggerimpulse empfangen werden, wodurch, wenn ein Impuls einer Impulsfolge den Dateneingang des Meß-Flip-Flops ändert, die nächsten angelegten Impulse der Impulsfolge das Daten-Flip-Flop triggert, um dessen Status zu ändern und so ein Ausgangssignal zu erzeugen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht invertierender Ausgang des Meß-Flip-Flops als ein die Induktivität anzeigender Ausgang eines induktiven Schalters verwendet wird; und daß die Hysterese der Funktion des Komparators über einen Rückführungswiderstand erzeugt wird, der zwischen einem invertierenden Ausgang des Meß-Flip-Flops und dem zweiten Eingang des Komparators geschaltet ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Länge der Impulse im Bereich von etwa 10 Mikrosekunden bis etwa 1 Millisekunde liegt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Dauer der Impulse im Bereich von etwa 130 Mikrosekunden liegt.

26. Verfahren zum Betreiben eines Gabelstaplers, bei dem die Bewegung eines mechanischen Teiles einen induktiven Schalter betätigt, bei dem die Induktivität eines Induktors, der im Fahrzeug montiert ist, durch ein Verfahren, das in einem der Ansprüche 17 bis 25 beansprucht ist, gemessen wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung eines Plattformhandgriffes des Fahrzeuges funktionell an einen Betätigungsstift angeschlossen ist, die den Betätigungsstift zur Bewegung in oder aus einer Bohrung, die in dem Induktor definiert ist, veranlaßt, so daß eine Änderung der Induktivität des Induktors verursacht wird.

28. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung eines Bremspedales des Fahrzeuges funktionell an einen Betätigungsstift angeschlossen ist, was den Betätigungsstift veranlaßt, sich in oder aus einer Bohrung, die in dem Induktor definiert ist, zu bewegen, so daß die Induktivität des Induktors geändert wird.

29. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung eines Plattformpedales des Fahrzeuges funktionell an einen Betätigungsstift gekoppelt ist, wodurch der Betätigungsstift veranlaßt wird, sich in oder aus einer Bohrung, die in dem Induktor definiert ist, zu bewegen, so daß die Induktivität des Induktors geändert wird.