DE1623102B2

DE1623102B2 - HIGH FREQUENCY INDUCTION PROXIMITY SENSORS

Info

Publication number: DE1623102B2
Application number: DE19671623102
Authority: DE
Inventors: Alain Paris Carnel
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1966-04-15
Filing date: 1967-04-08
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR1482206A; ES338438A1; DE1623102A1; GB1187377A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühler zur Feststellung des Vorhandenseins oder Vorbeigangs eines leitenden Gegenstands aufgrund der Änderungen des Gütefaktors einer den Schwingungszustand beeinflussenden Induktivität in einem elektronischen Oszillator, der einen als rückgekoppelten Verstärker geschalteten Transistors enthält, mit einer Spannungsquelle zur Stromversorgung des Oszillators, einer Gleichrichterschaltung zur Gleichrichtung der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung und mit einer Last zum Feststellen des Schwingungszustandes des Oszillators aufgrund der gleichgerichteten Wechselspannung.The invention relates to a high frequency induction proximity sensor to determine the presence or passage of a conductive object based on the changes in the figure of merit an inductance influencing the oscillation state in an electronic oscillator, the contains a transistor connected as a feedback amplifier, with a voltage source for Power supply for the oscillator, a rectifier circuit for rectifying the oscillator generated alternating voltage and with a load for determining the oscillation state of the oscillator due to the rectified AC voltage.

Bei den bekannten Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühlern dieser Art (US-PS 32 01 774) werden im Prinzip zwei Dopelleitungen zwischen dem Oszillator einerseits und der die Spannungsquelle und die Last enthaltenden Anordnung andererseits benötigt, nämlich eine Doppelleitung zur Stromversorgung des Oszillators und eine Doppelleitung zur Übertragung des Signals vom Oszillator zur Last. In der Praxis können die Massedrähte der beiden Doppelleitungen zusammengefaßt werden, so daß noch drei Verbindungsleiter benötigt werden.With the known high-frequency induction proximity sensors of this type (US-PS 32 01 774) are in principle two double lines between the oscillator on the one hand and the arrangement containing the voltage source and the load on the other hand, namely a double line for the power supply of the oscillator and a double line for the transmission of the Signal from the oscillator to the load. In practice, the ground wires of the two double lines can be combined so that three connecting conductors are still required.

In vielen Fällen ist es jedoch sehr unerwünscht, daß drei Verbindungsleiter zwischen dem Oszillator und der Last benötigt werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Oszillator an einer von der Last und der Spannungsquelle weit entfernten Stelle liegt, oder auchIn many cases, however, it is very undesirable that three connecting conductors between the oscillator and the Load are needed. This is the case, for example, when the oscillator is connected to one of the load and the Voltage source is far away, or also

bei Verwendung in Kraftfahrzeugen, wo grundsätzlich ein Pol der Spannungsquelle mit der Masse des Fahrzeugs verbunden ist und alle Verbindungsleitungen einpolig ausgeführt sind.when used in motor vehicles, where basically one pole of the voltage source with the mass of the Vehicle is connected and all connecting lines are single-pole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühler so auszubilden, daß nur zwei Verbindungsleiter zwischen dem Oszillator einerseits und der die Last und die Spannungsquelle enthaltenden Anordnung andererseits benötigt werden und dennoch ein einwandfreies Ansprechen der Last auf den Schwingungszustand des Oszilators gewährleistet ist.The invention is based on the object of designing the high-frequency induction proximity sensor in such a way that that only two connecting conductors between the oscillator on the one hand and the load and the Voltage source containing arrangement on the other hand are required and still a proper one Response of the load to the oscillation state of the oscillator is guaranteed.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Last in Reihe mit dem Oszillator an die Klemmen der Spannungsquelle angeschlossen ist, daß die den Schwingungszustand beeinflussende Induktivität zu dem im Basis-Emitterkreis des Transistors liegenden Oszillatorschwingkreis gehört, daß der Emitter des Transistors über einen Gegenkopplungswiderstand mit einem Abgriff des Oszillatorschwingkreises gekoppelt ist, und daß die von der Gleichrichterschaltung erzeugte Gleichspannung an die Basis des Transistors angelegt ist.According to the invention, this object is achieved in that the load in series with the oscillator to the Terminals of the voltage source is connected that the inductance influencing the oscillation state belongs to the oscillator circuit located in the base-emitter circuit of the transistor that the Emitter of the transistor via a negative feedback resistor with a tap of the oscillator circuit is coupled, and that the DC voltage generated by the rectifier circuit to the base of the Transistor is applied.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen.Advantageous further developments of the invention emerge from the remaining claims.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltung ergibt die Wirkung, daß sich der scheinbare Gleichstromwiderstand des Oszillators in Abhängigkeit vom Schwingungszustand sehr stark verändert, was eine entsprechende Änderung des über die Last fließenden Speisegleichstroms zur Folge hat. Diese Stromänderung kann zur Anzeige oder Ausnutzung des Schwingungszustandes des Oszillators benutzt werden.The inventive design of the circuit results in the effect that the apparent direct current resistance of the oscillator changes very strongly depending on the oscillation state, which is a results in a corresponding change in the direct feed current flowing through the load. This change in current can be used to display or utilize the oscillation state of the oscillator.

Diese Wirkung beruht darauf, daß die durch Gleichrichtung der vom Oszillator erzeugten Wechselspannung erhaltene Gleichspannung als Basisspannung an den Oszillatortransistor angelegt wird, so daß dieser Transistor gleichzeitig zur Verstärkung der gleichgerichteten Spannung dient. Dies ergibt einerseits eine beträchtliche Einsparung an Schaltungselementen, weil ein einziger Transistor die Funktion mehrerer bei der bekannten Schaltung verwendeten Transistoren übernimmt; vor allem aber wird der Vorteil erreicht, daß sich der Schwingungszustand des Oszillators in einer Änderung des Gleichstromwiderstands äußert. Als Folge davon sind nur zwei Verbindungsleitungen zwischen dem Oszillator und dem Versorgungs- und Anzeigeteil erforderlich.This effect is based on the fact that the alternating voltage generated by the rectification of the oscillator obtained DC voltage is applied as a base voltage to the oscillator transistor, so that this The transistor also serves to amplify the rectified voltage. On the one hand, this results in a Considerable savings in circuit elements because a single transistor can perform the function of several in the known circuit used transistors takes over; but above all the advantage is achieved that the oscillation state of the oscillator expresses itself in a change in the direct current resistance. as As a result, there are only two connecting lines between the oscillator and the supply and Display part required.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are explained with reference to the figures. Show it

Fig. la und Ib schematisch zwei Formen des Abtastkopfes für einen Hochfrequenz-Indunktions-Annäherungsfühler, 1a and 1b schematically show two forms of the scanning head for a high-frequency inoperative proximity sensor,

F i g. 2 das Grundschaltbild des Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühlers, F i g. 2 the basic circuit diagram of the high-frequency induction proximity sensor,

F i g. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise, F i g. 3 a diagram to explain the mode of operation,

Fig.4, 4a, 4b Abänderungen des Grundschaltbilds von F i g. 2,Fig. 4, 4a, 4b modifications of the basic circuit diagram from F i g. 2,

F i g. 5 und 6 Abänderungen der Schaltung von F i g. 4 zur Verringerung des Hysteresewirkung,F i g. 5 and 6 modifications of the circuit of FIG. 4th to reduce the hysteresis effect,

F i g. 7 und 8 Abänderungen der Schaltung von F i g. 2 zur Vergrößerung der Hysteresewirkung,F i g. 7 and 8 modifications of the circuit of FIG. 2 to increase the hysteresis effect,

Fig.9 und 10 Weiterbildungen der Schaltung von F i g. 4 zur Erzielung einer Temperaturkompensation,9 and 10 further developments of the circuit of F i g. 4 to achieve temperature compensation,

F i g. 11 eine Abänderung der Schaltung von F i g. 4 zur Verringerung der magnetischen Abstoßung der Abtastspule undF i g. 11 shows a modification of the circuit of FIG. 4th to reduce the magnetic repulsion of the sensing coil and

Fig. 12 bis 17 Abänderungen des den Oszillatorschwingkreis enthaltenden Teils der Grundschaltung von F i g. 2 zur Erzielung eines Ausgangsstroms, der dem Gütefaktor der Abtastspule proportional ist.
In den Fig. la und Ib sind zwei Ausführungsformen des Abtastkopfes eines Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühlers dargestellt, dessen Schaltbild in F i g. 2 gezeigt ist. Der Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühler soll das Vorhandensein eines leitendenFIGS. 12 to 17 show modifications of the part of the basic circuit of FIG. 2 to achieve an output current that is proportional to the quality factor of the sensing coil.
In FIGS. 1 a and 1 b, two embodiments of the scanning head of a high-frequency induction proximity sensor are shown, the circuit diagram of which is shown in FIG. 2 is shown. The high frequency induction proximity sensor is intended to detect the presence of a conductive

ίο Gegenstandes in der Nähe des Abtastkopfes oder der Vorbeigang eines solchen leitenden Gegenstandes am Abtastkopf feststellen.ίο Object near the scanning head or the Detect the passage of such a conductive object on the scanning head.

Der Abtastkopf von Fig. la hat eine Abtastspule 1, die auf einem Magnetkreis 2 angeordnet ist, der durch einen Luftspalt 3 unterbrochen ist. Der leitende Gegenstand 4 ist ein Metallplättchen, das sich durch den Luftspalt 3 bewegen kann.The scanning head of Fig. La has a scanning coil 1 which is arranged on a magnetic circuit 2 by an air gap 3 is interrupted. The conductive object 4 is a metal plate that extends through the Air gap 3 can move.

Bei dem Abtastkopf von F i g. 1 b ist die Abtastspule 1 auf einem zylindrischen Ferritkern 5 angebracht.In the readhead of FIG. 1 b, the scanning coil 1 is attached to a cylindrical ferrite core 5.

Dadurch wird ein leitender Gegenstand 4 festgestellt, der in der Nähe des Endes des Kerns vorbeigeht.This detects a conductive object 4 passing near the end of the core.

Die Änderungen des Gütefaktors der Abtastspule 1 verändern in der Schaltung von Fig.2 die Schwingungsamplitude eines elektronischen Oszillators mit einem Resonanzkreis, dessen Induktivität durch die Abtastspule 1 gebildet ist.The changes in the quality factor of the scanning coil 1 change the oscillation amplitude in the circuit of FIG an electronic oscillator with a resonance circuit, the inductance of which is determined by the Scanning coil 1 is formed.

Der elektronische Oszillator von F i g. 2 enthält einen als rückgekoppelten Verstärker geschalteten Transistor T und einen im Emitter-Basis-Kreis liegenden Oszillatorschwingkreis L₁ Ci. Die Induktivität L ist die Induktivität der Abtastspule 1, und die Kapazität C1 ist ein der Abtastspule parallelgeschalteter Festkondensator. Der dadurch zwischen den Punkten A und M gebildete Oszillatorschwingkreis hat die Resonanzkreisfrequenz The electronic oscillator of FIG. 2 contains a transistor T connected as a feedback amplifier and an oscillator circuit L ₁ Ci located in the emitter-base circuit. The inductance L is the inductance of the sensing coil 1, and the capacitance C 1 is a fixed capacitor connected in parallel with the sensing coil. The oscillator circuit thus formed between points A and M has the resonance frequency

ω₀ =ω ₀ =

und einen Gütefaktor Q, der in Abhängigkeit von der Stellung des leitenden Teils 4 relativ zu der Abtastspule 1 veränderlich ist.and a quality factor Q, which is variable as a function of the position of the conductive part 4 relative to the sensing coil 1.

Der Rückkopplungskreis enthält eine Kopplungskapazität C2, die den Punkt A mit der Basis des Transistors T verbindet (Punkt B) und einen Gegenkopplungswiderstand R 1, der zwischen einem Abgriff /4'der Induktivität L und dem Emitter des Transistors T angeschlossen ist. Eine Diode D1 dient zur Gleichrichtung der am Punkt B erscheinenden Wechselspannung. Es kann wahlweise eine Kapazität C3 vorhanden sein, welche den Ausgangsstrom des Transistors Tfiltert. Ein den Kollektor des Transistors Tmit der Basis (Punkt B) verbindender Vorspannungswiderstand R2 hält bei fehlender Schwingung einen schwachen Strom durch den Transistor T aufrecht. Die Stromversorgung der Schaltung erfolgt zwischen den Klemmen 5 und M durch eine Speisespannungsquelle V über den Lastwiderstand Rc des Verbraucherkreises. Die Spannungsquelie V und der Lastwiderstand Rc können an einer entfernten Stelle angeordnet und über eine Leitung mit den Punkten Sund Mverbunden sein.
Wenn man setzt:The feedback circuit contains a coupling capacitance C2 which connects point A to the base of transistor T (point B) and a negative feedback resistor R 1 which is connected between a tap / 4 'of inductance L and the emitter of transistor T. A diode D 1 serves to rectify the alternating voltage appearing at point B. A capacitance C3, which filters the output current of the transistor T, can optionally be present. A bias resistor R2 connecting the collector of the transistor T to the base (point B) maintains a weak current through the transistor T in the absence of oscillation. The circuit is supplied with power between terminals 5 and M by a supply voltage source V via the load resistor Rc of the consumer circuit. The voltage source V and the load resistor Rc can be arranged at a remote location and connected to the points Sund M via a line.
If you bet:

_ Windungszahl der Spule 1 zwischen M und A' Windungszahl der Spule 1 zwischen M und A' gilt für den Rückkopplungsfaktor δ des Oszillators:_ Number of turns of coil 1 between M and A ' Number of turns of coil 1 between M and A' applies to the feedback factor δ of the oscillator:

a Lw₀Qa Lw ₀ Q

a² La)₀Q + Rla ² La) ₀ Q + Rl

Der Oszillator liefert:The oscillator delivers:

fürö < 1: keine oder abklingende Schwingung;
für δ = 1: Schwingung mit konstanter Amplitude;
für ό > 1: anwachsende Schwingung.forö <1: no or decaying oscillation;
for δ = 1: oscillation with constant amplitude;
for ό> 1: increasing oscillation.

Die Empfindlichkeit des Systems ist durch die Ableitung gekennzeichnet:The sensitivity of the system is characterized by the derivation:

άδάδ
dßdß

(2)(2)

Darin ist Q₀ der Gütefaktor Q bei <5 = 1.Here, Q _{0 is} the quality factor Q at <5 = 1.

Es erscheint günstig, den Wert α klein gegen Eins zu wählen, doch wird dann die Impedanz der Spule zwischen den Punkten A und A' zu groß gegen die Eingangsimpedanz des Transistors T. Zweckmäßig wählt man ««0,5.It seems favorable to choose the value α small compared to one, but then the impedance of the coil between the points A and A ' becomes too large compared to the input impedance of the transistor T. It is expedient to choose "" 0.5.

Wenn kein leitender Gegenstand vorhanden ist, nimmt der Gütefaktor Q seinen Maximalwert Qm an, bei welchem die Schaltung schwingt. Wenn sich ein leitender Gegenstand der Abtastspule 1 nähert, verringert sich der Gütefaktor. Sobald er kleiner als der Wert Qo wird, für den δ = 1 ist, setzt der Oszillator aus. Wenn sich umgekehrt der leitende Gegenstand von der Abtastspule entfernt, wächst der Gütefaktor an, und sobald er größer als Qo ist, setzt die Schwingung wieder ein. Die Wechselspannung an den Klemmen A, M des Schwingkreises wird von der Diode D1 gleichgerichtet, wobei die Filterung vom Kondensator C2 bewirkt wird. Die gleichgerichtete Gleichspannung wird daher der Wechselspannung überlagert und vom Transistor T verstärkt, wie in F i g. 3 dargestellt ist.If no conductive object is present, the quality factor Q assumes its maximum value Qm at which the circuit oscillates. When a conductive object approaches the sensing coil 1, the quality factor is reduced. As soon as it becomes smaller than the value Qo , for which δ = 1, the oscillator stops. Conversely, when the conductive object moves away from the sensing coil, the quality factor increases, and as soon as it is greater than Qo , the oscillation starts again. The alternating voltage at the terminals A, M of the resonant circuit is rectified by the diode D 1, the filtering being effected by the capacitor C2. The rectified DC voltage is therefore superimposed on the AC voltage and amplified by the transistor T , as in FIG. 3 is shown.

Wenn im Schwingungszustand die Wechselspannung Va am Punkt A die Amplitude U hat, ist die mittlere Basisspannung am Punkt B: If in the oscillation state the alternating voltage Va at point A has the amplitude U , the mean base voltage at point B is:

= υ= υ

(3)(3)

U RlU Rl

(4)(4)

Die Spannung am Punkt B schwankt zwischen 0 und 2LJ. Die Amplitude LJ nimmt bis zur Sättigung des Transistors zu, d. h. so weit, bis die Kollektorspannung auf einen Wert gefallen ist, der in der Nähe der maximalen Basisspannung 2t/liegt.The voltage at point B varies between 0 and 2LJ. The amplitude LJ increases until the transistor is saturated, ie until the collector voltage has fallen to a value which is close to the maximum base voltage 2t /.

Der scheinbare Gleichstromwiderstand Ra des Oszillators im »Arbeitszustand« an den Klemmen Sund Mist also:The apparent DC resistance Ra of the oscillator in the "working state" at the Sund Mist terminals is:

2(72 (7
IcIc

= 2Rl.= 2Rl.

(5)(5)

mitt.mitt.

Rr = Rr =

R2R2

2525th

3030th

3535

Wenn die Basis-Emitter-Spannung des Transistors vernachlässigt wird, wird der mittlere Kollektorstrom:If the base-emitter voltage of the transistor is neglected, the mean collector current becomes:

4040

4545

5050

5555

Im »Ruhezustand«, d. h., wenn der Oszillator nicht schwingt, ist der scheinbare Gleichstromwiderstand Rr größer. Er hängt von R 2 ab, so daß im Ruhezustand gilt:In the »idle state«, ie when the oscillator is not oscillating, the apparent direct current resistance Rr is greater. It depends on R 2, so that in the state of rest the following applies:

die mehr oder weniger große Nähe des festzustellenden Gegenstandes, drückt sich also durch eine Änderung des scheinbaren Gleichstromwiderstandes der Schaltung aus. Dementsprechend ändert sich der von der Spannungsquelle V über den Lastwiderstand Rc fließende Gleichstrom. Diese Gleichstromänderungen können am Lastwiderstand Rc festgestellt werden und zeigen somit die Annäherung des leitenden Gegenstandes an den Abtastkopf an.the more or less close proximity of the object to be detected is expressed by a change in the apparent DC resistance of the circuit. The direct current flowing from the voltage source V via the load resistor Rc changes accordingly. These direct current changes can be detected at the load resistor Rc and thus indicate the approach of the conductive object to the scanning head.

Es gibt nur zwei Verbindungen zwischen dem Annäherungsfühler und dem Verbraucherkreis, was inbesondere in dem häufigen Fall, daß der Verbraucherkreis an einer von dem Annäherungsfühler entfernten Stelle liegt, ein wichtiger Vorteil ist.There are only two connections between the proximity sensor and the consumer circuit, what in particular in the frequent case that the consumer circuit on a remote from the proximity sensor Position is an important asset.

Da andererseits der Oszillatortransistor "Tgleichzeitig die Wechselspannung der Schwingung und die gleichgerichtete Gleichspannung verstärkt, wird diese vorteilhafte Wirkung mit einer kleinen Zahl von Schaltungselementen erreicht. On the other hand, since the oscillator transistor "T" is simultaneously If the alternating voltage of the oscillation and the rectified direct voltage are amplified, this becomes advantageous Effect achieved with a small number of circuit elements.

Nachstehend wird eine Reihe von Weiterbildungen der Schaltung von Fig.2 beschrieben. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der links von den Klemmen S und M liegende Schaltungsteil, der stets unverändert bleibt, nicht wiederholt.A number of developments of the circuit of FIG. 2 are described below. To simplify the illustration, the part of the circuit to the left of the terminals S and M , which always remains unchanged, is not repeated.

Eine Verbesserung des Hochfrequenz-Induktions-Annäherungsfühlers besteht gemäß Fig.4 darin, daß die Kapazität C1 an einem vom Abgriff A unabhängigen Punkt der Induktivität L angeschlossen ist, was eine größere Freiheit in der Wahl des Wertes der Abstimmkapazität Cl und der Gesamtwindungszahl der Abtastspule 1 ergibt.According to FIG. 4, an improvement of the high-frequency induction proximity sensor consists in that the capacitance C1 is connected to a point of the inductance L that is independent of the tap A , which gives greater freedom in the choice of the value of the tuning capacitance Cl and the total number of turns of the sensing coil 1 results.

Wie in F i g. 4a und 4b dargestellt ist, ist es andererseits möglich, die Induktivität L mit vier Klemmen (F i g. 4a) durch eine Induktivität L mit zwei Klemmen (F i g. 4b) und drei geeignet gewählte Kapazitäten Ci, C"\, C'"\ zu ersetzen, wobei die beiden Schaltungen einander wechselstrommäßig äquivalent sind. Es ist jedoch notwendig, parallel zu der Kapazität C'"\ eine Drosselspule L 1 anzuschließen, um die Gleichstromkomponente des durch den Widerstand R1 fließenden Stroms abzuleiten. Diese Schaltung ist dann günstig, wenn die Abtastspule 1 an einer vom Rest des Oszillators entfernten Stelle liegt.As in Fig. 4a and 4b, on the other hand, it is possible to replace the inductance L with four terminals (FIG. 4a) by an inductance L with two terminals (FIG. 4b) and three suitably selected capacitances Ci, C "\, C '"\ to replace, whereby the two circuits are equivalent to each other in terms of alternating currents. However, it is necessary to connect a choke coil L 1 in parallel to the capacitance C '"\ in order to divert the direct current component of the current flowing through the resistor R 1. This circuit is advantageous if the sensing coil 1 is at a point away from the rest of the oscillator lies.

In der Gleichung (4) ist der Einfluß der Eigenschaften des Transistors ^vernachlässigt worden. Dieser macht sich in dreifacher Weise bemerkbar:In equation (4), the influence of the properties of the transistor ^ has been neglected. This makes noticeable in three ways:

Der Widerstand R1 wird um den dynamischen Emitterwiderstand r_e vergrößert;
die Eingangsimpedanz β ■ (R 1 + r_e) des Transi stors dämpft den Resonanzkreis;
der Spannungsabfall in der Diode D1 verschiebt die Spannung am Punkt B um — VdX gegen die theoretische Kurve VZ? von F i g. 3. Ebenso verschiebt die Basis-Emitter-Spannung des Transistors die Emitterspannung um — Vbe gegen die Spannung am Punkt B. The resistance R 1 is increased by the dynamic emitter resistance r _e ;
the input impedance β ■ (R 1 + r _e ) of the transistor attenuates the resonance circuit;
the voltage drop in the diode D 1 shifts the voltage at point B by - VdX against the theoretical curve VZ? from F i g. 3. Likewise, the base-emitter voltage of the transistor shifts the emitter voltage by - Vbe against the voltage at point B.

Die Emitterspannung ist also um -(Vbe+VdI) gegen die theoretische Spannung Vb von Fig.3 verschoben. Da sie nicht negativ werden kann, wird die Emitterspannung um (Vbe— Vd 1) auf der Seite ihrer negativen Halbwelle beschnitten. Diese' Beschneidung verringert den Rückkopplungsfaktor δ, der dann zu ό(1 ~x)v/\rd. The emitter voltage is thus shifted by - (Vbe + VdI) against the theoretical voltage Vb of FIG. Since it cannot become negative, the emitter voltage is clipped by (Vbe-Vd 1) on the side of its negative half-wave. This clipping reduces the feedback factor δ, which then becomes ό (1 ~ x) v / \ rd.

Die Gleichung (4) lautet dann:Equation (4) then reads:

Dabei ist β der Stromverstärkungsfaktor des Transistors T. Here, β is the current amplification factor of the transistor T.

Das Einsetzen und Aussetzen der Schwingungen, d. h.The onset and cessation of vibrations, d. H.

aQ'L(x)₀ aQ'L (x) ₀

)₀ + Rl + r_e ) ₀ + Rl + r _e

δ' =δ '=

im in the ι + οι + ο

Ii(Rl + rj L,o₀(\ - a)² Ii (Rl + rj L, o ₀ (\ - a) ²

Die Werte von β, ι\. und .ν sind verschieden, je nachdem, ob die Schaltung schwingt oder nicht. Da nämlich der »Arbeitsstrom« größer als der »Ruhestrom« ist, sind:The values of β, ι \. and .ν are different depending on whether the circuit oscillates or not. Since the "working current" is greater than the "quiescent current", the following are:

β im »Arbeitszustand« größer als im »Ruhezustand«;
r_c im »Arbeitsziiiand« kleiner als im »Ruhezustand«;
α· im »Arbeitszustand« kleiner als im »Ruhezustand«. β greater in the "working state" than in the "resting state";
r _c in the "working zone" less than in the "idle state";
α · smaller in the »working state« than in the »idle state«.

Diese drei Erscheinungen tragen gemeinsam dazu bei, die Aufrechterhaltung der Schwingung zu begünstigen und das Erlöschen der Schwingung zu benachteiligen. Wenn sich ein leitender Gegenstand der Abtastspule nähert, und die Schwingung beim Erreichen einer bestimmten Stelle aufhört, setzt sie erst wieder ein, wenn sich der leitende Gegenstand um eine bestimmte Strecke von der Stelle entfernt hat, an der die Schwingung aufgehört hat. Diese Hysterese kann in bestimmten Fällen stören (beispielsweise bei einer Zweipunktregelung). Es ist möglich, diese Hysterese entweder durch Vergrößerung des »Ruhestroms« oder durch Verwendung der in F i g. 5 und 6 dargestellten Schaltungen zu verringern.These three phenomena work together to promote the maintenance of the vibration and penalize the extinction of the vibration. When there is a conductive object in the sensing coil approaches, and the oscillation stops when it reaches a certain point, it does not start again until when the conductive object has moved a certain distance from the point where the Vibration has stopped. This hysteresis can interfere in certain cases (for example with a Two-point control). It is possible to reduce this hysteresis either by increasing the "quiescent current" or by using the in F i g. 5 and 6 shown circuits.

Im Fall von Fig.5 ist die Gleichrichterdiode Di an einen Abgriff A" der Induktivität L angeschlossen, wodurch ihre Anode auf ein Wechselpotential gelegt wird, das demjenigen des Punkts A entgegengesetzt ist. Durch eine geeignete Anbringung dieses Abgriffs wird die Beschneidung der Emitterspannung unterdrückt, wodurch die Hysterese merklich verringert wird.In the case of FIG. 5, the rectifier diode Di is connected to a tap A ″ of the inductance L , whereby its anode is connected to an alternating potential which is opposite to that of point A. By suitably attaching this tap, the clipping of the emitter voltage is suppressed, whereby the hysteresis is noticeably reduced.

Im Fall von Fig.6 ist eine Gleichrichterdiode D2 vorgesehen, deren Anode durch den Spannungsteiler R 3, R 4 auf ein positives Potential gelegt wird. Dieses Potential kann so groß sein, daß die Vorspannung des Transistors über die Diode D 2 erreicht wird. Die Diode D 1 ermöglicht eine wirksamere Gleichrichtung als die Diode D 2, weil der von dieser gleichgerichtete Strom durch den Widerstand R 4 fließen muß. Das Ende 6 des Widerstands R4 kann entweder mit dem Punkt Moder mit dem Punkt A'verbunden sein. Im letzten Fall ist die vom Widerstand R 4 hervorgerufene Dämpfung kleinenIn the case of FIG. 6, a rectifier diode D2 is provided, the anode of which is connected to a positive potential by the voltage divider R 3, R 4. This potential can be so great that the bias of the transistor via the diode D 2 is achieved. The diode D 1 enables a more effective rectification than the diode D 2, because the current rectified by this must flow through the resistor R 4. The end 6 of the resistor R4 can either be connected to the point Moder with the point A '. In the latter case, the damping caused by resistor R 4 is small

In anderen Fällen ist die Hysterese erwünscht. Dies gilt beispielsweise für die Zählung der Durchgänge eines leitenden Objekts, das in Schwingungen versetzt ist, die seiner Verschiebung überlagert sind. Wenn die Hysterese ausreichend groß ist, besteht dann keine Gefahr, daß ein einziger Durchgang wegen dieser Schwingungen mehrmals gezählt wird. Ferner erfolgt das Umkippen freier und sehr viel schneller. Die hierfür geeigneten Schaltungen sind in F i g. 7 und 8 dargestellt.In other cases the hysteresis is desirable. This applies, for example, to counting the number of passes of a conductive object that is set in vibrations superimposed on its displacement. When the hysteresis is sufficiently large, there is then no risk of a single passage because of these vibrations is counted several times. Furthermore, the tipping over takes place more freely and much faster. The ones suitable for this Circuits are shown in FIG. 7 and 8 shown.

Im Fall von F i g. 7 ist der Gegenkopplungswiderstand R 1 in zwei Teilwiderstände R'l, R"\ aufgeteilt wobei dem Teilwiderstand R"\ eine Diode D 3 parallel geschaltet ist. Im »Ruhezustand« reicht die Klemmenspannung des Teilwiderstandes R"\ nicht aus. um die Diode D3 durchlässig zu machen. Im »Arbeitszustand« ist die Diode D3 durchlässig, so daß sie praktisch den Teilwiderstand R"\ kurzschließt, wodurch der Rückkopplungsfaktor vergrößert wird.In the case of FIG. 7, the negative feedback resistor R 1 is divided into two partial resistances R'l, R "\ , a diode D 3 being connected in parallel to the partial resistance R" \. In the "idle state" the terminal voltage of the partial resistor R "\ is not sufficient to make the diode D 3 conductive. In the" working state "the diode D3 is conductive, so that it practically short-circuits the partial resistor R" \ , which increases the feedback factor .

Es ist daher für das Anregen der Schwingung ein größerer Gütefaktor als für das Unterbrechen der Schwingung erforderlich; die Hysterese ist somit durch die Wahl der Schaltungselemente einstellbar.It is therefore a greater quality factor for exciting the oscillation than for interrupting the Vibration required; the hysteresis can thus be set through the choice of circuit elements.

Im Fall von Fig.8 verhält sich die Schaltung R5, R6, D4, D5 wie ein Strombegrenzer, dessen scheinbare Wechselimpedanz mit der Klemmenspannung der Induktivität L wächst. Die von dieser Schaltung erzeugte Dämpfung ist also bei kleinen Spannungen größer, was das Erregen der Schwingung wie im vorhergehenden Fall benachteiligt, so daß sich dieIn the case of FIG. 8, the circuit R5, R6, D4, D5 behaves like a current limiter, the apparent alternating impedance of which increases with the terminal voltage of the inductance L. The damping generated by this circuit is greater at low voltages, which disadvantages the excitation of the oscillation as in the previous case, so that the

ίο gleichen Folgen ergeben.ίο result in the same consequences.

Wenn kein Vorspannungsstrom vorhanden ist, kann sich die Schwingung nicht erregen, denn der Transistor hat den Verstärkungsfaktor Null. Die Schwingung kann sich nur dann erregen, wenn die beiden folgenden Bedingungen erfüllt sind:If there is no bias current, the oscillation cannot excite itself because the transistor has a gain factor of zero. The vibration can only be excited when the following two Conditions are met:

ausreichender Vorspannungsstrom;
ausreichender Gütefaktor.sufficient bias current;
sufficient figure of merit.

Dagegen wird der Schwingungszustand durch die Unterdrückung des Vorspannungsstroms nicht beeinflußt. Diese logische Und-Funktion bei der Schwingungserregung und Speicherfunktion bei der Schwingungsentregung kann insbesondere dort ausgenutzt werden, wo mit Hilfe von zwei Fühlern die Bewegungsrichtung des Gegenstandes von einem Fühler zum anderen festgestellt werden soll. In diesem Fall ist der Vorspannungskreis nicht an den Kollektor, sondern an eine getrennte Klemme angeschlossen.On the other hand, the vibration state is not affected by the suppression of the bias current. This logical AND function for vibration excitation and storage function for vibration de-excitation can be used in particular where the direction of movement is determined by means of two sensors of the object is to be detected from one sensor to the other. In this case it is Bias circuit not connected to the collector but to a separate terminal.

Fig.9 und 10 zeigen Maßnahmen zur Verringerung des Einflusses der Temperatur auf den »Ruhestrom«.9 and 10 show measures to reduce the influence of temperature on the "quiescent current".

Die Fig.9 entspricht der Schaltung von Fig.4. Die Verringerung des Vorspannungsstroms bei steigender Temperatur erfolgt durch den Thermistor R9 mit negativem Temperaturkoeffizient, der den Widerständen R 7 und R 8 zugeordnet ist. Dies ermöglicht die Kompensation in einem großen Temperaturbereich.The Fig.9 corresponds to the circuit of Fig.4. The reduction in the bias current with increasing temperature is carried out by the thermistor R9 with a negative temperature coefficient, which is assigned to the resistors R 7 and R 8. This enables compensation over a wide temperature range.

Die Schaltung von Fig. 10 entspricht derjenigen von Fig.6, bloß erfolgt hier die Temperaturkompensation durch die Diode D 6.The circuit of FIG. 10 corresponds to that of FIG. 6, only the temperature compensation takes place here by the diode D 6.

Die Schaltung von F i g. 11 ermöglicht es, für eine gegebene Ausgangsleistung die Klemmenspannung der Induktivität L zu verringern, so daß die von dem magnetischen Wechselfeld auf den leitenden Gegenstand ausgeübte Abstoßung vermindert wird. Zu diesem Zweck wird die gleichzurichtende Spannung nicht an den Klemmen der Induktivität L, sondern an den Klemmen einer Drosselspule L' abgegriffen, die im Kollektorkreis liegt. Die an den Klemmen der Drosselspule L' erscheinende Wechselspannung wird über den Kondensator C4 zu den Gleichrichterdioden D 7 und D 8 übertragen. Die gleichgerichtete Spannung wird durch den Kondensator C5 gefiltert und über den Widerstand R 11 an die Basis des Transistors angelegt. Der Widerstand R10 dient zur Dämpfung der Drosselspule L'. Die Klemme 7 des Kondensators C5 könnte mit dem Punkt M verbunden sein, doch würde dadurch die vom Widerstand RW verursachte Dämpfungvergrößert. The circuit of FIG. 11 enables the terminal voltage of the inductance L to be reduced for a given output power, so that the repulsion exerted by the alternating magnetic field on the conductive object is reduced. For this purpose, the voltage to be rectified is not tapped at the terminals of the inductance L, but at the terminals of a choke coil L ' , which is located in the collector circuit. The alternating voltage appearing at the terminals of the choke coil L ' is transmitted to the rectifier diodes D 7 and D 8 via the capacitor C4. The rectified voltage is filtered by capacitor C5 and applied to the base of the transistor via resistor R11. The resistor R 10 serves to dampen the choke coil L '. Terminal 7 of capacitor C5 could be connected to point M , but this would increase the attenuation caused by resistor RW.

Alle zuvor beschriebenen Schaltungen besitzen nur zwei stabile Gleichgewichtszustände: Schwingung bis zur Sättigung oder keine Schwingung.All the circuits described above have only two stable states of equilibrium: oscillation to to saturation or no oscillation.

Die nachfolgend beschriebenen Schaltungen liefern einen Ausgangsstrom, der dem Gütefaktor der Spule L ' annähernd proportional ist. Das Prinzip dieser Schaltungen ist in Fig. 12 dargestellt. Es besteht darin, den Resonanzkreis durch einen Widerstand Z zu dämpfen, dessen Widerstandswert bei wachsender Klemmenspannung des Schwingkreises abnimmt. Der Rückkopplungsfaktor (5 nimmt also ab, wenn die Klemmenspan-The circuits described below provide an output current which is approximately proportional to the quality factor of the coil L '. The principle of these circuits is shown in FIG. It consists in damping the resonance circuit with a resistor Z, the resistance value of which decreases as the terminal voltage of the resonance circuit increases. The feedback factor (5 therefore decreases when the terminal voltage

609 547/12609 547/12

nung der Spule L zunimmt. Er kann daher den einer Schwingung mit stabiler Amplitude entsprechenden Wert 1 bei einem beliebigen Wert der Schwingungsspannung zwischen bestimmten Grenzwerten annehmen. Wenn Qo der Gütefaktor der Anordnung L, Ci, Z ist, für welchen ö — 1 gilt, und Q der Gütefaktor der Spule List,gilt:voltage of the coil L increases. It can therefore assume the value 1 corresponding to an oscillation with a stable amplitude for any value of the oscillation voltage between certain limit values. If Qo is the quality factor of the arrangement L, Ci, Z , for which ö - 1 applies, and Q is the quality factor of the coil List, then applies:

η ₌ Va) η ₌ Va)

Q+ -τQ + -τ

Die Schwingungsamplitude U im Gleichgewichtszustand hängt also von dein Gütefaktor der Induktivität L über Z ab. Dieser Gütefaktor ist seinerseits von der Lage des leitenden Gegenstandes abhängig. Der Widerstand Z kann eine der in Fig. 13 bis 17 dargestellten Formen annehmen.The oscillation amplitude U in the equilibrium state therefore depends on the quality factor of the inductance L over Z. This quality factor is in turn dependent on the position of the conductive object. The resistor Z can take one of the forms shown in FIGS. 13-17.

Im Fall von Fig. 13 ist der Widerstand Zdurch die Kapazität C 6, den Widerstand R 12 und die Zenerdiode DZl gebildet.In the case of Fig. 13, the resistor Z is formed by the capacitance C 6, the resistor R 12 and the Zener diode DZ1.

Die Zenerdiode ist durchlässig, wenn die Klemmenspannung den Wert + VZoder den Wert -0 annimmt. Für die Amplitude U der Wechselspannung an den Klemmen der Induktivität L gilt:
fürThe Zener diode is permeable when the terminal voltage assumes the value + VZ or the value -0. The following applies to the amplitude U of the alternating voltage at the terminals of the inductance L:
for

2525th

3030th

ist die Zenerdiode DZl gesperrt, so daß giltthe Zener diode DZl is blocked, so that applies

Z=O₀;Z = O ₀ ;

^für £ ^for £

ίοίο

gehen bei jeder Halbwelle Stromimpulse durch den Widerstand R 12. Die dadurch im Widerstand R 12 erzeugten Verluste verringern den scheinbaren Wert des Widerstandes Z, und zwar um so mehr, jeWith every half-wave, current pulses go through the resistor R 12. The losses thus generated in the resistor R 12 reduce the apparent value of the resistor Z, and more so, the more

größer das Verhältnis -p— ist.the ratio -p- is greater.

Durch geeignete Wahl der Schaltungselemente und Betriebsbereiche kann erreicht werden, daß die Schwingungsamplitude t/und damit der Ausgangsstrom annähernd der Verschiebung des leitenden Gegenstandes proportional ist. Die Zenerdiode DZl muß eine kleine Eigenkapazität haben. Sie kann durch eine Spannungsquelle und zwei Gleichrichterdioden ersetzt werden.By suitable choice of circuit elements and operating ranges, it can be achieved that the Oscillation amplitude t / and thus the output current approximately equal to the displacement of the conductive object is proportional. The Zener diode DZl must have a small self-capacitance. You can through a Voltage source and two rectifier diodes must be replaced.

Bei der Anordnung von Fig. 14 ist die Spannungsquelle durch den Widerstand R 13 und die Zenerdiode DZ 2 ersetzt, die dann eine große Eigenkapazität haben kann. Die Dioden DO und DlO sind die Gleichrichterdioden. Der Punkt D ist an ein positives Potential gelegt.In the arrangement of FIG. 14, the voltage source is replaced by the resistor R 13 and the Zener diode DZ 2, which can then have a large self-capacitance. The diodes DO and DlO are the rectifier diodes. The point D is connected to a positive potential.

Bei der Anordnung von Fig. 15 ist die Spannungsquelle durch den Spannungsteiler R 14, R 16 gebildet. Der Widerstand R 12 ist für die eine Stromrichtung durch den Widerstand R15 und für die andere Stromrichtung durch den Widerstand R 14 parallel zum Widerstand R 16 ersetzt.In the arrangement of FIG. 15, the voltage source is formed by the voltage divider R 14, R 16. The resistor R 12 is replaced for one current direction by the resistor R 15 and for the other current direction by the resistor R 14 parallel to the resistor R 16.

Fig. 16 zeigt eine einfachere Schaltung, welche eine gleichwertige Funktion wie die zuvor erwähnten Schaltungen erfüllt.Fig. 16 shows a simpler circuit employing a fulfills equivalent function as the aforementioned circuits.

Fig. 17 zeigt eine andere Ausführungsform mit der gleichen Funktion wie die zuvor erwähnten Schaltungen. Fig. 17 shows another embodiment with the same function as the aforementioned circuits.

Bei den Schaltungen von Fig. 14, 15, 16, 17 war angenommen, daß der Punkt D an ein festes positives Potential gelegt ist. Er kann jedoch auch mit dem Kollektor des Transistors Γ verbunden sein. In diesem Fall nimmt die Spannung, welche die Rolle der Spannung Vz bei den Schaltungen von Fig. 15, 16 17 spielt, mit wachsendem Ausgangsstrom, also mit wachsender Schwingungsspannung ab. Die Wirkungsweise kann jedoch mit anderen Werten der Schaltungselemente die gleiche sein.In the circuits of FIGS. 14, 15, 16, 17 it was assumed that the point D is connected to a fixed positive potential. However, it can also be connected to the collector of transistor Γ. In this case, the voltage, which plays the role of the voltage Vz in the circuits of FIGS. 15, 16, 17, decreases with increasing output current, that is to say with increasing oscillation voltage. However, the operation may be the same with other values of the circuit elements.

Hierzu 5 Blatt ZeichnungenIn addition 5 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1.High-frequency induction proximity sensor to determine the presence or passage of a conductive object due to the changes in the quality factor of an inductance influencing the oscillation state in an electronic oscillator, which contains a transistor connected as a feedback amplifier, with a voltage source for supplying power to the oscillator, a rectifier circuit for rectifying the alternating voltage generated by the oscillator and with a load for determining the oscillation state of the oscillator on the basis of the rectified alternating voltage, characterized in that the load (Rc) is connected in series with the oscillator (L, Ci, T) to the terminals of the voltage source (V ) is connected, that the inductance (L) influencing the oscillation state belongs to the oscillator circuit (L, Ci) in the base-emitter circuit of the transistor (T) , that the emitter of the transistor (T) has a negative feedback resistor (R 1) with egg nem tap of the oscillator circuit (L, Ci) is coupled, and that the DC voltage generated by the rectifier circuit (D i, C2, D7, DS, C5) is applied to the base of the transistor (7}.

2. Proximity sensor according to claim 1, characterized in that the rectifier circuit contains a diode (D 1) connected between a terminal of the oscillator circuit (L, Ci) and the base of the transistor (T).

3. Proximity sensor according to claim 2, characterized in that the base of the transistor (T) is connected to the oscillator circuit (L, Ci) via a capacitor (C2) which forms a filter capacitor for the rectifier circuit.

4. Proximity sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the base and emitter of the transistor (T) with intermediate taps (A, A ') of the inductance (L) of the oscillator circuit (L, Ci) are connected (F i g. 4a).

5. Proximity sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the capacitance of the oscillator circuit (L, Ci) is formed by several series-connected capacitors (Ci, C "i, C '" i) that the base and emitter of the Transistor (T) are connected to intermediate taps (A, A ') of the series circuit, and that the negative feedback resistor (R i) is connected to the voltage source (V) via a choke coil (L 1), which one of the capacitors (C'"i ) is connected in parallel (Fig. 4b).

6. Proximity sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that a bias divider (R 3, R 4) between the collector of the transistor (T) upd of the negative feedback resistor (Ri) connected to the terminal (A ') of the oscillator circuit (L , Ci) is connected, and that an additional rectifier (D 2) is connected between a tap of the voltage divider and the base of the transistor (FIG. 6).

7. Proximity sensor according to claim 6, characterized in that a diode (D6) is inserted into the bias voltage divider (R3, R 4) for temperature compensation (Fig. 10).

8. Proximity sensor according to one of claims 1

to 5, characterized in that the base of the transistor (T) is connected via a bias resistor (R 2) to the tap of a voltage divider (R 7, R 8) which contains a temperature-dependent resistor (R 9) (F i g. 9).

9. Proximity sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the negative feedback resistor is formed by two series-connected resistors (R 1, R "i) and a voltage-dependent resistor (D 3) connected in parallel to one of the two resistors (F i g 7).

10. Proximity sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the collector of the transistor (T) with the oscillator circuit (L, Ci) via a current limiter circuit composed of resistors (R 5, R 6) and rectifiers (D 4, D 5 ) is connected (Fig. 8).

11. Proximity sensor according to claim 1, characterized in that the collector circuit of the transistor (T) contains a choke coil (L ') which is connected to the base of the transistor (F i g. 11) via the rectifier circuit (D7, D8; CS) ).

12. Proximity sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that a voltage-dependent impedance (Z) is connected to the terminals of the oscillator circuit (L, Ci) (Fig. 12).

13. Proximity sensor according to claim 12, characterized in that the voltage-dependent impedance (Z) is a circuit of resistors (R 10, R 13; R 14, R 15, R 16; R 17, R 18; R 13, R 20) and Rectifiers (D9, DiQ, DZ2; D9, DiO; DU; D 12, D 13) which is connected to a fixed voltage source (D) or to the collector of the transistor (T) (Figs. 14; 15; 16 ; 17).