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Dezimaldigitale Grenzwert-Schaltvorrichtung In der industriellen Fertigung
werden z. B. bei der Meßwerterfassung und -verarbeitung immer wieder Schaltvorrichtungen
benötigt, die unterschiedliche Signale dann abgeben sollen, wenn sich eine zu klassifizierende
Information innerhalb, oberhalb oder unterhalb voreinstellbarer Grenzen befindet.
Solche Schaltvorrichtungen eignen sich z. B. zum Sortieren und Klassifizieren von
Teilen nach Abmessung, Gewicht oder anderen Eigenschaften; auch lassen sich damit
z. B. Kennzeichnungen beim Drucken oder Lochen des Meßwertes erzeugen oder andere
Signale ableiten.
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Es sind elektrische, analog arbeitende Schaltungen bekannt, wobei
die Grenzwert-Schaltvorrichtung anspricht, sobald sich eine analog veränderliche
Spannung außerhalb bestimmter voreingestellter Grenzen befindet. Hier ist die Schaltgenauigkeit
im wesentlichen von der Stabilität der Versorgungsspannungen, vom Temperatur- und
vom Schaltverhalten der Bauelemente abhängig. Je enger die Bereichsgrenzen eingestellt
sind im Verhältnis zum gesamten geforderten Variationsbereich, um so geringer ist
im allgemeinen die zu erwartende Schaltgenauigkeit.
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Dezimaldigitale Grenzwert-Schaltvorrichtungen arbeiten je nach Anzahl
der Dekaden beliebig genau, und zwar unabhängig von den eingestellten Bereichsgrenzen.
Bekannt sind solche, die eine große Anzahl von Relais verwenden, meist zehn Stück
pro Dekade, oder aber solche mit weniger Relais, welche komplizierte, meist in mehreren
Ebenen aufgebaute Bereichsschalter verwenden, die z. B. in einer Endstellung alle
Kontakte, in der anderen Endstellung keinen der Kontakte kurzschließen.
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Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg, wie man eine sicher
arbeitende dezimaldigitale Grenzwert-Schaltvorrichtung bei vergleichsweise kleinem
Aufwand mit Hilfe einfacher Schalter und mit nur einem Relais pro Dekade und pro
Grenze aufbauen kann. In F i g. 1, 2 und 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung
schaltungsmäßig dargestellt. Jedes Relais ist mit nur einem Umschaltkontakt oder
einem Arbeits- bzw. Ruhekontakt bestückt, von denen allein der Schaltzustand des
Relais der wertmäßig höchsten Dekade - jeweils für die obere und die untere Grenze
- Kriterium für alle Dekaden ist, ob sich der Ist wert innerhalb, oberhalb oder
unterhalb der voreingestellten Grenzen befindet; und zwar nach einer maximalen Schaltzeit
von einer Relais-Ansprechzeit pro Dekade (F i g. 1 und 2). Ferner wird gezeigt,
wie sich diese Grenzwert-Schaltvorrichtung unter Umgehung von dem Verschleiß unterworfenen
Teilen, wie Relais und Kontakten, im wesentlichen durch Anwendung von Torschaltungen
aufbauen läßt (F i g. 3).
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An Hand von F i g. 1 wird nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben und erläutert: Die zu klassifizierende Information - der sogenannte
Istwert - wird im Beispiel durch je einen getrennten dekadischen Schalter für die
Hunderter, die Zehner und die Einer dargestellt; die Kontaktschiene jeder Dekade
S1, S2 und S3 ist über Entkopplungsdioden D 1, D 2 und D 3 mit Minuspotential
verbunden. Parallel zu den Schalterausgangselektroden 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7, 8, 9, jeder Dekade liegen korrespondierend die Eingangselektroden sowohl des
unteren als auch des oberen Grenzschalters. Je zwei benachbarte Grenzschalter-Eingangselektroden
sind mit einer Diode B 0, B 1, B 2 bis B 8
so überbrückt, daß ihre
Anoden bei der in F i g. 1 angenommenen Polarität der Spannung an der höherwertigen
Grenzschalterelektrode liegen. Die Ausgangselektroden a und b der
drei Grenzschalter für die obere Bereichsgrenze HO, ZO und E0 sind mit den
Relais A, B und C verbunden; die Ausgangselektroden a und
b der drei Grenzschalter für die untere Bereichsgrenze HU, ZU und
EU sind mit den Relais D, E und F verbunden. Zwischen den Ausgangselektroden
der Hunderter- und Zehnerdekade und den entsprechenden Relais sind jeweils Entkopplungsdioden
D 4 bis D 7 bzw. Relaiskontakte b, c, e, f zwischengeschaltet. Die Relais
A bis F sind mit ihrem anderen Spulenanschluß im Beispiel gemeinsam mit Pluspotential
verbunden.
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Die Wirkungsweise der Schaltvorrichtung nach F i g. 1 ist die folgende:
Für die Klassifizierung des Istwertes nach der oberen Bereichsgrenze arbeiten die
Relais A, B
und C; für die Klassifizierung nach der unteren Bereichsgrenze
die Relais D; E und F, und zwar so,
daß ein Kontakt des A-Relais
ein Signal für die gesamte obere Bereichsgrenze und ein Kontakt des D-Relais ein
Signal für die gesamte untere Bereichsgrenze liefern. Das System ist so aufgebaut,
daß von den Relais A, B und C mindestens das. A-Relais Strom führt, von den
Relais D, E und F aber mindestens das D-Relais stromlos bleibt für den Fall, daß
sich die zu klassifizierende Information innerhalb der voreingestellten Grenzen,
d. h. unterhalb der oberen Grenze und oberhalb der unteren Grenze befindet. Entsprechend
ändern sich die Schaltzustände vom A- und D-Relais, wenn der obere Grenzwert überschritten
bzw. der untere Grenzwert unterschritten werden.
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Im Beispiel von F i g. 1 sind der obere Grenzwert 463, der imtere
auf 448 und der Istwert auf 456 eingestellt. Betrachtet man die Lage des Istwertes
zur oberen Grenzwerteinstellung, so ergibt sich folgendes: Rein wertmäßig überschreitet
die Einerstelle des Istwertes (6) die Einerstelle des oberen Grenzwertes (3). Das
C-Relais bleibt in diesem Fall über die gesperrten Brückendioden B 3, B 4, B
5 stromlos. Die Zehnerstelle des Istwertes (5) bleibt wertmäßig unter der Zehnerstelle
des oberen Grenzwertes (6). Das B-Relais erhält Strom über D2,S2, Zehnerkontakt
5, ZOb und D 6. Der Istwert und der obere Grenzwert der Hundertdekade sind
wertmäßig gleich. Ob der Istwert die obere Grenze überschreitet oder nicht, läßt
sich also allein unter Betrachtung der Hunderterdekade nicht entscheiden, vielmehr
bestimmt hier die Zehnerdekade die weitere Klassifizierung durch einen sogenannten
übertrag. Diesen übertrag liefert das B-Relais mit seinem b-Kontakt, das A-Relais
bekommt Strom über D1, S1, Hunderterkontakt 4, HOa, b-Kontakt. Der (Gesamt-)Istwert
liegt also entsprechend dem oben beschriebenen System unterhalb des oberen Grenzwertes.
Zusammengefaßt wird festgestellt: Die Relais A, B und C führen dann Strom,
wenn der Istwert jeder einzelnen Dekade kleiner oder gleich der oberen Grenzwerteinstellung
jeder Dekade ist; sind Istwert und oberer Grenzwert der Hunderter- und Zehnerdekade
gleich und der Istwert der Einerdekade kleiner oder gleich dem oberen Grenzwert
der Einerdekade, so erfolgen überträge von der Einer- auf die Zehnerdekade und von
der Zehnerdekade auf die Hunderterdekade. Die Relais A, B und C führen also
alle Strom. Der Istwert wird als »unterhalb der oberen Grenze« klassifiziert.
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Das beschriebene System für die Klassifizierung des Istwertes nach
dem oberen Grenzwert gilt analog fär die Klassifizierung des Istwertes nach dem
unteren Grenzwert mit dem Unterschied, daß die Relais D, E und F gegenüber den Relais
A, B und C entsprechend die Nichtfunktion ausführen, genauer: Die Relais
D, E und F bleiben stromlos, wenn der Istwert jeder einzelnen Dekade größer oder
gleich der unteren Grenzwerteinstellung jeder Dekade ist; sind Istwert und unterer
Grenzwert der Hunderter- und Zehnerdekade gleich und der Istwert der Einerdekade
größer oder gleich dem unteren Grenzwert der Einerdekade, so erfolgen auch keine
überträge. Die Relais D, E und F bleiben stromlos, der Istwert wird als »oberhalb
der unteren Grenze« klassifiziert.
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Unterschreitet der Istwert z. B. in der Einerdekade die untere Grenzwerteinstellung,
so erfolgen jetzt überträge von der Einer- auf die Zehnerdekade und von der Zehner-
auf die Hunderterdekade. Die Relais D, E und F führen Strom. In diesem Fall wird
der Istwert als »unterhalb des unteren Grenzwertes« klassifiziert.
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Bei der Definition der Grenzen wird davon ausgegangen, daß ein mit
der oberen oder unteren Grenze identischer Istwert als innerhalb der Grenzen gewertet
werden soll; diese Definition bewirkt, daß die Ausgangselektrode a des unteren Grenzschalters
der Einerdekade elektrisch um einen Schritt gegen deren mechanische Schalterstellung
versetzt sein muß (F i g. 1).
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Im folgenden seien verschiedene Variationen der Schaltvorrichtung
beschrieben, die je nach dem vorgesehenen Anwendungsfall von Vorteil sein können;
die jedoch nichts am System ändern.
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Stellt man die Forderung, daß das A-Relais einen Kontakt dann schließen
soll, wenn die zu klassifizierende Information den oberen Grenzwert überschreitet,
und daß das D-Relais einen Arbeitskontakt dann schließen soll, wenn die zu klassifizierende
Information den unteren Grenzwert unterschreitet, so erfordert das angegebene System
im stromlosen Zustand für das A-Relais (oberer Grenzwert) einen Ruhekontakt, für
das D-Relais (unterer Grenzwert) einen Arbeitskontakt (F i g. 1). Das umgekehrte
Schaltverhalten im stromlosen Zustand läßt sich dadurch herbeiführen, daß die Brückendioden
B 0
bis B 8 aller drei Dekaden invertiert werden und die Ausgangselektroden
der Schalter für die obere und für die untere Grenze nach F i g. 2 angeordnet werden.
Die Entkopplungsdioden D 4 bis D 7 (F i g.1) können entfallen, wenn
für den b-, e-, c- und f-Arbeitskontakt je ein Umschaltkontakt zur Verfügung
steht. Diese Modifikation ist ebenso in F -i g. 2 dargestellt.
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Die zu klassifizierende Information - der Istwert - ist in den F i
g. 1 bis 3 im Dezimalcode vorgegeben und in Form einer dekadischen Schalterstellung
dargestellt. Der Istwert kann aber auch in einem beliebigen anderen Code anfallen,
in den Dezimalcode umgewandelt und z. B. auch durch Relaiskontakte oder elektronische
Schalter dargestellt werden.
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Der Istwert muß nach einer Klassifizierung oft noch weiterverarbeitet,
z. B. ausgedruckt oder abgelocht, werden, ohne daß ein zweiter, elektrisch getrennter
Istwertgeber zur Verfügung steht. In diesem Fall läßt sich der Istwertgeber über
zusätzliche Entkopplungsdioden und zwei getrennte Spannungsquellen (nicht dargestellt)
ohne Schwierigkeiten zeitlich nacheinander klassifizieren und weiterverarbeiten.
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Die beschriebene und in F i g. 1 dargestellte Grenzwert-Schaltanordnung
hat für gewisse Anwendungsfälle Nachteile, die einmal in der begrenzten Lebensdauer
von Relaisbauteilen liegen und zum anderen in dem für die Klassifizierung des Istwertes
relativ hohen Zeitbedarf, der für eine dreidekadige Anordnung bei etwa maximalen
drei Relais-Ansprechzeiten liegt. Ein weiterer Nachteil kann unter Umständen darin
bestehen, daß die Anordnung nach F i g. 1 im stromlosen Zustand meldet: »oberhalb
der oberen Grenze«.
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Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung werden die genannten
Nachteile in einer im Prinzip wie F i g.1 gleichen, jedoch vollelektronischen Anordnung
nach F i g. 3 vermieden, die aus Torschaltungen (Undfunktionen U, Oderfunktionen
O,
Impedanzwandlern 1 und Umkehrstufe N) aufgebaut sind. Soll die am dargestellten
Beispiel an Hand von F i g. 1 beschriebene Wirkungsweise mit logischen Schaltelementen
erreicht werden, so muß für die obere Grenze der A-Relais-Kreis Strom führen; diese
Bedingung ist erfüllt, wenn über die Schalterausgangselektroden HOa oder HOb Strom
fließt. über die Elektrode HOa kann nur dann Strom fließen, wenn auch der B-Relais-Kreis
Strom führt, d. h. HOa und B-Relais-Kreis müssen durch ein Und-Gatter U, miteinander
verbunden sein, ferner sind der Ausgang von U3 und HOb durch ein Oder-Gatter 0s
miteinander verknüpft. Entsprechend dem A-Relais-Kreis ist die Elektrode ZOa mit
E0 durch ein Und-Gatter Ui verbunden, dessen Ausgang mit ZOb durch das Oder-Gatter
01 miteinander verknüpft ist. Am Ausgang A entsteht negatives Potential für den
Fe, daß der Istwert unterhalb des oberen Grenzwertes liegt.
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Das für die obere Grenze Gesagte gilt analog für die untere Grenze
mit dem Unterschied, daß am Ausgang B Nullpotential entsteht für den Fall, daß der
Istwert oberhalb der unteren Grenze liegt. Durch Reihenschaltung einer Umkehrstufe
N (Nichtfunktion) an den Ausgang B läßt sich erreichen, daß am Ausgang C ebenso
wie am Ausgang A negatives Potential entsteht, wenn der Istwert innerhalb des oberen
und unteren Grenzwertes liegt. Werden der obere Grenzwert über- oder untere Grenzwert
unterschritten, so entsteht am Ausgang A oder C Nullpotential.
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Mit Rücksicht auf die an den Brückendioden abfallenden Kniespannungen
sind jeder Schaltausgangselektrode ein Impedanzwandler 11...11o nachgeschaltet.
Die Impedanzwandler 111 und 112 wurden aus technischen Gründen zur Entkopplung der
Gatter U3 von 01 bzw. U4 von 02 benötigt.
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Die in der Transistortechnik allgemein üblichen kleinen Arbeitsspannungen
empfehlen in dieser Schaltanordnung die Anwendung von Dioden mit kleiner Kniespannung,
vorzugsweise Germaniumdioden.