DE2343894A1

DE2343894A1 - Naeherungssondenstromkreis

Info

Publication number: DE2343894A1
Application number: DE19732343894
Authority: DE
Inventors: Noah Flueckiger; Frederick Rodney Holt
Original assignee: Acme Cleveland Corp
Current assignee: Acme Cleveland Corp
Priority date: 1972-09-05
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1974-04-11
Also published as: JPS4966180A; FR2198120B3; FR2198120A1; IT996651B; US3883796A

Description

Dr. E. Wiegand, Dipl.-lng. W. Nietnami Dr. K. Kohler. Dipl-lng. C. Bernhardt

Patentanwälte

Hamburg 50 - Königstraße 28 2 g, g_f 73

Tel. No. 381233 Jelex:21297^kar_Pd

W.25979/73 8/Sch

Acme-Cleveland Corporation Cleveland, Ohio (V,St.A.)

Häherungs s ondenstromkreis·

Näherungssondenstromkreise sind beispielsweise dazu verwendet worden, Metallbehälter zu zählen, die sich entlang einer Förderstrecke bewegen, wenn eine Genauigkeit der Zählung nicht von besonderer Bedeutung ist· Die bekannten Häherungssondenstromkreise sind im allgemeinen Ein-Aus-Stromkreise, welche als Schaltor wirken, der entweder einen "GO"-Zustand oder einen "NO GO"-Zustand anzeigt· Diese Stromkreise sind zum Zählen von Gegenständen und zum Betätigen eine3 Zählers oder dergleichen zufriedenstellend, ,jeuoe-n sind sie weder geeignet, beispielsweise die relativen Größen einer Serie von Gegenständen zu bestimmen, noch sind sie dazu zu verwenden, genau zu bestimmen, wie weit ein Ziel von einem vorbestimmten Punkt entfernt ist, oder eine Anzahl von Gegenständen nach ihrer Größe zu ordnen, oder die Annäherungsgeschwindigkeit

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und die Bewegungsrichtung eines Ziels zu messen.

Näherungsschalterstromkreise der bekannten Art haben den Nachteil, daß, wenn die Länge eines eine Sonde mit dem Stromkreis verbindenden Kabels geändert wird, auch die Kapazitanz zu ändern ist, um eine bestimmte !Frequenz aufrechtzuerhalten. Ferner ist es bei den bekannten Stromkreisen erforderlich, die Spannung auf einem absoluten Wert zu halten, und daher sind sie überhaupt nicht geeignet, kleine Änderungen des Abstandes zwischen einer Sonde und einem Ziel mit einer zuverlässigen Empfindlichkeit oder Wiederholbarkeit zu bestimmen·

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu beheben«

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Näherungssondenstromkreis zu schaffen, der ausfallsicher arbeitet und dazu verwendet werden kann, eine Anzahl von Zielen relativ zu bemessen und Informationen hinsichtlich der Näherungsgeschwindigkeit und der Bewegungsrichtung eines solchen Ziels zu übertragen.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen Näherungssondenstromkreis zum mehrfachen Abtasten mit einer einzigen Abtastsonde zu schaffen.

Die Erfindung kann bei einem Näherungssondenstromkreis vorgesehen werden, der folgende Bestandteile in Kombination aufweist: einen Verstärker mit einem Ausgang und einem Eingang, eine Rückkopplungseinrichtung, welche den Verstärkerausgang mit dem Verstärker eingang verbindet, eine Näherungssonde, eine Einrichtung, welche die Sonde als Teil der Rückkopplungseinrichtung anschließt, um an dem Eingang des Verstärkers ein Signal zu erzeugen, welches gemäß

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dem Abstand zwischen der Sonde und einem leitenden Ziel änderbar ist, und eine Ausgangseinrichtung, die mit dem Verstärker so verbunden ist, daß ein Ausgang erhalten wird, der gemäß dem änderbaren Eingang zu dem Verstärker änderbar ist·

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert·

Fig. 1 ist ein Schaltungsschema eines Stromkreises gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Sonden-Ziel- Ab Standes in bezug auf die Spannung.

Das in Pig. I wiedergegebene Schaltungsdiagramm veranschaulicht die Grundform eines Näherungssondenstromkreises gemäß der Erfindung, der allgemein mit bezeichnet ist und allgemein einen Verstärker 12, eine Rückkopplungseinrichtung 13» eine Näherungssonde 14 und eine Ausgangseinrichtung 15 aufweist· Der Verstärker ist als Oszillator geschaltet, wobei die Schwingungsfrequenz von einem Resonanzkreis gesteuert wird, der eine induktive Einrichtung 16 und eine kapazitive Einrichtung enthält. Die Näherungssonde 14 ist als Teil der induktiven Einrichtung 16 und der kapazitiven Einrichtung angeschlossen und kann aus einer induktiven Spule 16 bestehen, die durch ihre Annäherung an ein leitendes Ziel beeinflußt wird. In bekannter Weise setzen, wenn der Abstand zu einem leitenden Ziel sich vermindert, die zunehmenden Wirbelstromverluste in dem leitenden Ziel den Q-Paktor des Parallelresonanzkreises herab, um die Gesamtimpedanz an dem Resonanzkreis zu ändern.

Die Rückkopplungseinrichtung 13 ist in einem Brückenkreis 18 angeordnet, der die doppelte Punktion eines Generators oder Oszillators in Verbindung mit dem

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Verstärker 12 ausführt. Der Brückenkreis 18 weist einen ersten Zweig 21, einen zweiten Zweig 22, einen dritten Zweig 23 und einen vierten Zweig 24 auf. Von der Rückkopplungseinrichtung kann angenommen werden, daß sie einen negativen Rückkopplungsteil und einen positiven Rückkopplungsteil zu dem Verstärker 12 aufweist. Der negative Rückkopplungsteil umfaßt die Brückenzweige 23 und 24, und der positive Rückkopplungsteil umfaßt die Brückenzweige 21 und 22.

Die Brücke 18 weist einen ersten Eingangsanschluß 25 und einen zweiten Eingangsanschluß 26, von denen der Anschluß 26 geerdet ist, sowie einen ersten Aus— gangsanschluß 27 und einen zweiten Ausgangsanschluß auf. Der Verstärker 12 hat einen Ausgang, der mit dem ersten Eingangsanschluß 25 der Brücke verbunden ist. Der Verstärker hat ferner einen positiven Eingangsanschluß 29 und einen negativen Eingangsanschluß 30, die auch als nicht-umkehrender bzw. als umkehrender Anschluß bezeichnet werden. Der positive Eingangsanschluß 29 ist mit dem ersten Ausgangsanschluß 27 der Brücke 18 verbunden, der sich an der Verbindungsstelle der Brückenzweige 21 und 22 befindet. Der negative Eingangsanschluß 30 ist mit dem zweiten Aus gangs ans chluß 28 der Brücke verbunden, der sich an der Verbindungsstelle der Brückenzweige 23 und 24 befindet.

Ein leitendes Ziel ist von Kugeln 31A, 31B und 310 gebildet, und der eingezeichnete Pfeil 32 deutet an, daß die Kugeln sich in einer Bahn nahe der Näherungssonde 14 bewegen. In Pig. 1 sind die Kugeln als von der Sonde 14 entfernt liegend dargestellt. Unter diesen Bedingungen hat der Parallelresonanzkreis 16-17 einen hohen Q-Faktor und eine hohe Impedanz für eine große

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an ihm liegende Spannung.

Der negative Rückkopplungsteil umfaßt allgemein · die Brückenzweige 23 und 24. Der Brückenzweig 23 enthält einen festen Widerstand 43 und einen ersten Photοwiderstand 33. Der Brückenzweig 24 enthält einen festen Widerstand 44 und einen zweiten Photowiderstand Ein Widerstand 35 verbindet den Ausgangsanschluß 28 der . Brücke mit einem Aus gangs ans chluß 36. Die Sonde 14- bildet einen Teil der induktiven und kapazitiven Einrichtung 16, 17» und sie ist insbesondere so dargestellt, daß die induktive Einrichtung 16 innerhalb eines durch das strichpunktierte Rechteck 14 angedeuteten Gehäuses angeordnet und durch ein Koaxialkabel 19 mit dem übrigen Teil des Näherungssondenstromkreises 11 verbunden ist. Der Näherungssondenstromkreis 11 kann sehr klein sein und auf einer eine gedruckte Schaltung aufweisenden Tafel angeordnet sein, wobei zwischen der Schaltungstafel und dem Innenende des Koaxialkabels 19 Steckerverbindungen vorgesehen sind. Die kapazitive Einrichtung 17 kann auf der die gedruckte Schaltung tragenden Tafel angeordnet sein, und das Koaxialkabel 19 kann biegsam sein, um die Anordnung der Sonde 14 an jeder zweckentsprechenden Stelle zu ermöglichen. Gegebenenfalls kann die kapazitive Einrichtung 17 insgesamt oder teilweise innerhalb des Gehäuses 14 vorgesehen sein, was den Vorteil hat, daß die umlaufenden Ströme in dem Parallelresonanzkreis 16-17 in minimaler Weise durch das Koaxialkabel 19 hindurchfließen.

Eine positive Arbeitsgleichspannung wird an einen Arbeitsspannungseingangsanschluß des Verstärkers 12 angelegt, und bei einem praktisch ausgeführten Stromkreis gemäß der Erfindung wurde ein RCA-Arbeitsverstärker CA-3029 in zufriedenstellender Weise benutzt. Widerstände 45 und Kondensatoren 46 werden für den Prequenzausgleich verwendet, und sie sind mit den Prequenzausgleichan-

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Schlüssen des Verstärkers verbunden. Der zweite Brückenzweig 22 enthält ein Potentiometer 47 und feste Widerstände 48 und 49- Durch Ändern des Potentiometers 47 wird ein. variabler Voreinstellpunkt geschaffen, um den dynamischen Bereich des Näherungssondenstromkreises zu ändern· Ein Transistor 38, der auf Grund einer Durchschlagdiode 39 als Konstantstromquelle geschaltet ist, ist mit dem Eingangsanschluß 29 des Verstärkers 12 verbunden, um eine geregelte Gleichspannung zuzuführen und auf diese Weise den Gleichspannungs-Arbeitsbereich des Verstärkers 12 herzustellen.

Der Ausgangskreis 50 weist eine Detektorein— richtung 51 und eine Verstärkerstufe 52 auf. Die Detektoreinrichtung 51 enthält ein erstes Paar Differentialtransistoren 53 und 54, und die Verstärkerstufe 52 enthält ein zweites Paar Differentialtransistoren 55 und 56. Die Detektoreinrichtung 51 weist ferner einen Konstantstromgenerator auf, der als Transistor 57 dargestellt ist, welcher einen konstanten Strom entwickelt, da eine feste Vorspannung zvjischen dem Emitterwiderstand vorgesehen ist. In einem gemäß der Erfindung ausgeführten Stromkreis lag die Oszillatorfrequenz in dem Bereich von 100 - 300 kHz« Die Detektoreinrichtung 51 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 12 verbunden. Die Basen der beiden Transistoren 53 und 54 werden von dem Verstärkerausgang 25 gespeist, jedoch wird die Basis des Transistors 54 bei Oszillatorfrequenzen von einem Nebenschlußkondensator 102 zur Erde überbrückt. Dem Ausgangskreis wird eine Arbeitsspannung von z.B. +15 V-Gleichspannung zugeführt.

Der Ausgang der Transistoren 53 und 54 erscheint an Ausgangswiderständen 59 bzw. 60, wobei ein Widerstand 61 einen zusätzlichen Spannungsabfall in der

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Verbindung zu dem Kollektor des Transistors 54-schafft. An dem unteren Ende der Ausgangswiderstände 60 und 59 befinden sich Anschlüsse 72 bzw. 73. Der Ausgang aus den Anschlüssen 72 und 73 wird der Verstärkerstufe 52 zugeführt, indem ein Basenantrieb zu den Transistoren 55 und 56 vorgesehen ist·

Ein Tiefpassfilter, welches Kondensatoren 62, 63 und 64 und Widerstände 65 und 66 enthält, eliminiert die Oszillatorfrequenz und läßt ein Signal zu der Verstärkerstufe 52 durch· Der Transistor 55 hat seinen Ausgang an seinem Kollektor, der über eine wahlweise verwendbare, lichtaussendende Anzeigediode 67, eine lichtaussendende Steuerdiode 68 und einen Widerstand 70 mit Erde verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 56 ist über eine lichtaussendende Steuerdiode 69 und einen Widerstand 71 mit Erde verbunden. Die lichtaussendende Diode 68 befindet sich in der Nähe des lichtempfindlichen Photowiderstandes 34· und beeinflußt ihn, und die lichtaussendende Diode befindet sich in der Nähe des lichtempfindlichen Photowiderstandes 33 und beeinflußt-diesen· Auf diese Weise wird eine negative Rückkopplungsschleife von dem Detektor 51 über die Verstärkerstufe 52 zu den Brückenzweigen 22 und 24- hergestellt. Die Photowiderstände 33 und 34· haben eine Doppelfunktion, indem sie auch einen Ausgang an dem Ausgangsanschluß als Teil des Ausgangskreises 15 erzeugen· Dieser Ausgang wird einem Ausgangsverstärker 74· zugeführt, um die an dem Anschluß 36 auftretende Spannung nicht zu belasten. Der Verstärkerausgangsanschluß 25 ist über einen Verstärker 79 mit einem Anschluß 80 verbunden. Die Ausgangsverstärker 74- und 79 können wahlweise über einen

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Anschluß 77 ein ratiometrisches Voltmeter 75 oder einen Differentiator 76 speisen· Die Verstärker 74, 79 sind ultra-stabile Tiefpass-Gleichstromverstärker mit hoher Eingangsimpedanz·

Ein Kondensator 78» der einen genügend hohen Kapazitätswert hat, um eine geringe Zeitverzögerung bei der Anschaltung des Transistors 57 zu schaffen, ist zwischen die Basis dieses Transistors und Erde geschaltet· Der Kondensator 78 kann beispielsweise einen Wert von 5»0 mfcL haben, und er eliminiert falsche Ausgänge in dem Ausgang durch Verzögerung der Anschaltung dieses Konstantstromgenerators 57· Die Zeitverzögerung schafft genügend Zeit, damit der Brückenkreis 18 und der Verstärker 12 in eine stetige Zustandsbedingung gelangen. Bei der bevorzugten Ausfuhrungsform ist ein Hilfsrückkopplungskreis zur dynamischen tStabilität unter den Bedingungen einer geschlossenen Schleife vorgesehen. Dieser Hilfsrückkopplungskreis besteht aus einem Widerstand 70, einem Kondensator 100, einem Widerstand 101, einem Kondensator 102 und Widerständen 103 und 104. Dieser Hilfsrückkopplungskreis ist mit der Basis des Transistors 54 verbunden, und ein Widerstand IO5 ist in den Basiskreis des Transistors 53 geschaltet,

Die Arbeitsweise

In der Elektronik erfolgt die Messung kleiner Änderungen von Parametern am besten mittels eines Brückenkreises, der in analoger Weise wie die im Chemielabor verwendete übliche Zweischalen-Balkenwaage arbeitet. Auf diese Weise kann die Anzahl der die

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Meßgenauigkeit beeinflussenden Variablen drastisch reduziert werden, und die restlichen Variablen können' so gewählt werden, daß sie von solcher Art sind, in der sie am stabilsten sind. Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es gerade, eine solche stabile Brücke 18 zu schaffen, in welcher die Näherungssonde 14 einen Zweig der Brücke bildet· Weiterhin bezweckt die Erfindung, daß die Brücke sich selbst im Gleichgewicht hält, d.h., daß eine vollelektronische proportionale Steuerservoschleife hergestellt ist, welche die Brücke zwangsläufig in einen nahe dem Gleichgewicht befindlichen Zustand bringt, wann immer ein Ziel 31 seine Lage relativ zu der Annäherungssonde 14 ändert. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, einen elektrischen Ausgang zu schaffen, der dem Grad proportional ist, in welchem die Näherungssonde durch den Abstand zu dem Ziel beeinflußt wird.

Die Analyse des Systems als Ganzes wird in zwei Teile aufgeteilt. Erstens werden die Bedingungen des Schwingens betrachtet, bei denen angenommen wird, daß die negative Rückkopplungsseite der Brücke feste Zweige 23 und 24 von äquivalenten Widerstandswerten R^* bzw. Rp/. aufweist. Dies bedeutet, das ganze Netzwerk aus den Widerständen 33, 34, 35» 43, 44 hat ein Zweiwiderstandsäquivalent: Ep, und^Rp^,. Ebenso werden die Widerstände 47, 48 und 49 als ihr Äquivalent R22 betrachtet, welches von dem Anschluß 25 zu dem Anschluß 2? geschaltet ist. Zweitens soll der Effekt der Änderung der Widerstände 34 und 33 analysiert werden.

Für die Analyse des vorliegenden Systems kann die eine Seite der Brücke 18 zunächst so angesehen werden, daß sie aus den beiden festen Widerständen Rp, und

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besteht, die auch als eine negative Rückkopplungsschleife um den Verstärker 12 herum angesehen werden können. Für den Wert /3 gilt:

ß - (D

Die Verstärkung A des Verstärkers 12 liegt in der Größenordnung von 1.000 oder 10.000, jedoch ist /3' bei der bevorzugten Ausführungsform groß, d.h. liegt zwischen 0,1 und 1,0, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,4. Die andere Seite der Brücke besteht aus den Zweigen 21 und 22. Der Brückenzweig 22 wird als ein Widerstand angesehen, dessen effektiver Wert eingestellt werden kann und der für die Analyse mit Rp₂ bezeichnet wird. Der Brückenzweig 21 enthält eine Induktionsspule 16 von dem Wert L zusammen mit einem Kondensator 17, dessen Wert verteilte und Kabelkapazitanzen umfaßt, wobei der Gesamtwert von 17 mit C bezeichnet wird. Die Spule 16 und der Kondensator 17 sind miteinander verbunden und werden als Parallelresonanzkreis analysiert. Da die Spule 16 einen Eigenverlust aufweist, werden sämtliche Verluste in dem sich ergebenden Bruckenzweig 21 als ein äquivalenter Ohmscher Widerstand betrachtet, der in Reihe, mit der Spule 16 liegt und mit R₃ bezeichnet wird. Die Charakteristiken des Brückenzweiges 21 werden bei der Resonanzfrequenz analysiert.

Vom Gesichtspunkt des Resonanzkreises bewirkt die Hinzufügung von R₂₂» daß die Eingangs impedanz des Verstärkers 12 negativ erscheint, und wenn dieser negative Widerstand genügend klein ist, werden die Verluste zufolge von R_s ausgeglichen, und der Kreis schwingt. Es ist

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darauf hinzuweisen, daß die obigen Bemerkungen sich auf die angewendete analytische Methode beziehen und den Stromkreis selbst nicht begrenzen. Andere Analysemethoden (beispielsweise die Methode von Bode) können mit den gleichen Ergebnissen angewendet werden. Abweichungen sind unkompliziert, und es werden keine weiteren Annahmen gemacht·

Der Resonanzkreis kann in sein Paralleläquivalent bei Resonanz übertragen werden durch:

(₂)

(3)

wobei (J in üblicher Weise als U) = 2 7Γ f definiert ist· Der Verstärker 12 mit negativer Rückkopplung über Rp^ und Rp/i und positiver Rückkopplung über R22 ^ßat eine negative resistive Eingangsimpedanz von der Größe:

1-/3

Schwingung tritt auf, wenn die Ungleichheit gilt:

Es ist erkennbar, daß die Schwingungen sich in ihrer Amplitude vergrößern, bis sie von den großen Signalcharakteristiken des Verstärkers und den Energie zufuhren begrenzt werden, solange gilt:

^R22/3 ' ■ ■ (6)

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Die Amplitude der Schwingungen bleibt konstant auf einer Höhe, unter welcher die Verstärkerbegrenzung nur einsetzt, wenn

(7)

1-/3

Aus dem Nachstehenden wird ersichtlich, daß die Gleichung (7) im allgemeinen keinen stabilen Zustand beschreibt, weil die Balkenwaage außerordentlich empfindlich ist.

Da weder R02 ^nocn ß Punktionen von Cj über den interessierenden Bereich sind, würde es zweckmäßig sein, 6j aus der Gleichung (2) wenigstens direkt zu streichen

Unter Verwendung der üblichen Definition von Q, s

g
nämlich Q « -^— ergibt sich

^R21
und die vereinfachte Annäherung:

Ep₅ = -rr-yi— , wenn Q groß ist (9) S

was später nützlich ist.

Da es für das Wesen der Erfindung von Bedeutung ist, ist zu bemerken, daß die Amplitude der Schwingungen, wie beschrieben, beim Übergang von der Gleichung (6) auf die Gleichung (7) von einem Brückenungleichgewicht sehr kleiner Größe begleitet ist; die bevorzugte Ausfuhrungsform gemäß Pig· 1 arbeitet mit einem Brückenungleichgewicht zwischen 100 und 200 ppm. Dieser kleine Grad des

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Brückenungleichgewichts kann in einen äquivalenten zusätzlichen Sonden-Ziel-Abstand Δ D umgewandelt werden, der ausreicht, um das vorgenannte Brückenungleichgewicht zu erzeugen· Der Ausdruck AD wird nur deshalb als eine Unbestimmtheit bezeichnet, weil er dadurch abgeleitet ist, daß eine endliche, aber große Zahl für die bei offener Schleife vorhandene Verstärkung A des Verstärkers angenommen wird. In der Praxis ist diese große, aber endliche Zahl weiten Toleranzen unterworfen.

Die Differentialanalyse und Laboratoriumsversuche bestätigen die folgende Tabelle von Unbestimmtheiten für einen Fühler von 2" Durchmesser bei einem Abstand D zwischen Sonde und Ziel und der Unbestimmtheit Δ D.

D _£J)

1,400" 0,008"

1,200 0,003

1,000 0,0013

0,800 0,0005

0,600 0,0002

0,400 80 Millionstel

0,200 35 Millionstel

0,100 20 Millionstel

Im zweiten Abschnitt der Analyse wird der negative Rückkopplungsteil der Brücke, d.h. ihrer Zweige 23 und

24 geprüft. Zuerst wird festgestellt, daß an dem Anschluß

25 eine Spannung auftritt, die nachfolgend mit Eq bezeichnet wird und die mittels eines Η-Netzwerkes herabgesetzt ist, wobei der Teil von E_Q, der an dem Anschluß 28 erscheint, mit E-, bezeichnet wird und der Teil, der

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an dem Anschluß 36 erscheint, mit E^ bezeichnet wird· Dieses Η-Netzwerk, enthält die beiden änderbaren Widerstände 34· und 33· Es sei angenommen, daß die Widerstände 34- und 33 keine Eigenschaften besitzen, außer daß sie linear sind (d.h., daß das Ohmsche Gesetz wenigstens in erster Annäherung sowohl für große als auch für kleine Signale gilt) und daß sie geändert werden können. Beispielsweise können die Widerstände 33 und 34-» wie dargestellt, lichtempfindlich sein, jedoch können an ihrer Stelle auch andere Vorrichtungen mit gleicher Wirkung verwendet werden, insbesondere ein Feldeffekttransistor, der mit einer aufgedrückten Stromquelle-zu-Abflußelektrode-Spannung von einer Größe arbeitet, die wesentlich kleiner als die Abklemmbzw· Abschaltspannung des Transistors ist, der als Widerstand wirkt, welcher dadurch änderbar ist, daß der Torelektrode des Transistors eine größere oder kleinere Spannung aufgedrückt wird. Wie aus der nachfolgenden Analyse erkennbar ist, beeinflussen die anderen Eigenschaften als die genannten die Arbeitsweise des Stromkreises gemäß der Erfindung nicht, und dies stellt einen wesentlichen Vorzug gegenüber dem Stand der Technik dar.

Wenn angenommen wird, daß die Ausgangsspannung an dem Anschluß 25 den Wert E_Q hat, daß die Eingangsspannung an dem Anschluß 28 den Wert E^ hat, und daß die Detektorausgangsspannung an dem Anschluß 36 den Wert E, hat, dann ergibt sich

/3 . -ζ- (ίο)

was für den Best der Beschreibung gilt.

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Der Ausdruck E, wird sowohl wie eine Wechselspannung als auch wie eine Gleichspannung betrachtet, und die Dämpfung des aus den Widerständen R,·, und R34» R^₁-, R4.3 und R^ bestehenden negativen Rückkopplungsnetzwerkes liefert daher E₁ und damit /3 und E^, die später gefiltert werden, während der Gleichspannungsanteil verwendet wird·

Es ist zu bemerken, daß das System linear ist, so daß Eq zur Vereinfachung der Analyse gleich 1 gesetzt werden kann. (Zu beachten ist, daß das eine geschlossene Schleife bildende System den Wert von E_Q konstant hält)· Das Problem ist, E. als Funktion von E-, zu finden.

Es wird mit dem folgenden Satz von Schleifengleichungen begonnen:

^fi33	unter	der	Annahme,
"l· Ι τ	daß ¹I	d ^a	)
	daß *	O * ⁽	Annahme,
^{+ I}E43

.R₄₅

*R35 R₃₅

Da die Losung langwierig ist, soll gleich das Ergebnis angegeben werden:

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- 16 /R R

E_d = E₁ / --25. ₊ _25- ₊ ι - .-2S (id ο- ι ^ K₄₄ K₄₅ y K₄₄

₅ y ₄₄

= /3 , da E₀ = 1

Die Gleichung (11) ist sehr interessant, wenn man sich vergegenwärtigt, daß die Gleichung durch Einsetzen von E₀ = 1 und dann E, = β normiert ist.

Die Gleichungen (7) und (9) müssen unter den Bedingungen der geschlossenen Schleife E_Q = 1 gelten, und aus diesen Gleichungen ergibt sich:

wobei R_g den Widerstand der Sonde I²!- darstellt. Somit ist E, fast unveränderlich proportional mit R_g (außer für den Ausdruck - 55 )« und daher kann erwartet

werden, daß der Gleichstromwert von E^ dem Q-Faktor des Fühlerkopfes in angenäherter Weise folgt. Ferner ist das Verhältnis von E_Q zu E-, unabhängig von allem außer von /3 · Es ist überraschend festzustellen, daß sowohl Ε-,-, als auch R^₄ aus der Gleichung (11) herausfallen, jedoch ist dies notwendigerweise so, und zwar durch die Ausführung, und nicht zufällig. R^₄ und R,^ bilden jeweils einen Photowiderstand, von dessen Charakteristiken zusammenfassend gesagt werden kann, daß sein Widerstandswert gering ist, wenn er beleuchtet wird, und hoch ist, wenn er dunkel ist· Er hat praktisch keine anderen voraussagbaren, wiederholbaren oder stabilen Charakteristiken. Daher sind die in Gleichung (11) zum

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Ausdruck gebrachten Ergebnisse tatsächlich notwendig, wenn ein stabiles, wiederholbares, proportionales Steuersystem verwendet werden soll.

Es ist wichtig zu bemerken, daß die Spannung Eq so eingestellt werden kann, daß sie sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkomponenten enthält, so daß auch E-, sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstromkomponenten enthält· Die Gleichstromkomponenten von Eq sowie von E^ können mittels Tiefpassfiltern ausgeschieden werden, und das Verhältnis von E^ zu Eq kann als Information hinsichtlich der Wirkung des Ziels auf die Näherungssonde ausgenutzt werden. Dies ist mit Mitteln, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, leicht zu bewerkstelligen. Die durch das oben Beschriebene erzielte Bereicherung der Technik ist in der Erzeugung des Verhältnisses von E^ zu Eq als Funktion von Ro/j zu sehen.

Der Bereich der Zielabstände, in welchem die Gleichung (12) gilt, ist eine Funktion der Ausführung der Näherungssonde, der Zielcharakteristiken R*.«» ^44» IL,, R^n, R*c» R/iQ und, in einem geringeren Ausmaß, des Bereiches von R,^ und R33· Beispielsweise könnten für die bevorzugte Ausführungsform gemäß Fig. 1 folgende Werte genannt werden: R₄₈ = 8,25 k-1- , R₄₁-, = 2 k -Λ. , R₄₉ = 2,2 k-A_ , R₄₄ = 8,25 k-TL ., R₄₃ = 3,91 k-n. und R-Zj- = 16,1 k -A. . Die Sonde hat einen Durchmesser von 2 Zoll, und das Ziel ist eine Weicheisenplatte von 2 Zoll Durchmesser. R^r₇ wird derart eingestellt, daß bei einem Abstand von 0,400 Zoll das Verhältnis von E^ zu Eq den Wert 0,900 hat. Bei einem solchen tatsächlich ausgeführten Stromkreis sinkt das Verhältnis von E^

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zu Eq bei einem Abstand von 0,175 Zoll auf den Wert 0,100. Ferner kann beispielsweise R₁,^ so eingestellt werden, daß das Verhältnis von E^ zu Eq bei einem Abstand von 0,800 Zoll einen Wert von 0,9 hat, wonach dieses Verhältnis bei einem Abstand von 0,250 Zoll auf 0,100 sinkt. Diese Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit der Theorie, wie sie aus den Gleichungen (11), (12) hergeleitet werden kann, und die oben angeführte Tabelle zeigt die Werte von D und LD durch Lösung einer Dxfferentialgleichung und umfassender Algebra.

Zwecks Erläuterung der bevorzugten Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 wird auf das oben gegebene erste Beispiel Bezug genommen, bei welchem ein Pühler von 2 Zoll Durchmesser mit einem Ziel von 2 Zoll Durchmesser und mit den Widerständen 48, 47, 49, 44 und 35 gemäß oben gegebener Definition verwendet werden, und schließlich sei angenommen., daß der Zielabstand zwischen den Bereichsgrenzen von 0,075 Zoll und 0,400 Zoll, beispielsweise bei 0,300 Zoll liegt.

Zunächst wird angenommen, daß die Gleichung (12) gilt und daß Schwingungen an dem Ausgangsanschluß 25 des Verstärkers 12 auftreten. Die Basisspannung des Transistors 54 befindet sich auf einem festen Potential, welches durch das mittlere Gleichspannungspotential an dem Anschluß 25» die +6 V - Zufuhr und den die Widerstände 104 und 103 aufweisenden Spannungsteiler bestimmt wird. Die ebenfalls an dem Anschluß 25 vorhandene Wechselspannung erscheint an der Basis des Transistors 54 mit stark herabgesetztem Wert auf Grund des Überbrückungskondensators 102. Das mittlere Gleichspannungspotential an der Basis des

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Transistors 53 ist kleiner als dasjenige, welches an der Basis des Transistors 54 auftritt, weil E_Q ein mittleres Gleichspannungspotential hat, welches typisch in dem Bereich von 1 bis 2 V liegt, und kein Spannungsteiler zwischen dem Anschluß 25 und der +6 V - Zufuhr verwendet ist. Wenn an dem Anschluß 25 keine Wechselspannung auftritt, wird die Basis des Transistors 53 in typischer Weise mehrere Hundert mV unter der Basis des Transistors 54 vorgespannt. Wenn jedoch Schwingungen auftreten, leitet der Transistor 53 an den positiven Spitzen von Eq. Durch zweckentsprechende Wahl der Widerstände 59 und 60 kann der Spannungsabfall an dem Widerstand 59 größer oder kleiner als derjenige an dem Widerstand 60 gemacht werden, was von der Amplitude der Schwingungen abhängt. Der Kondensator bildet einen Teil des Tiefpassfilters. Der Transistor 57 arbeitet als Konstantstromgenerator für das Differentialtransistorpaar 53 und 54.

Die Transistoren 55 und 56 sind als Differentialpaar angeschlossen, welches mit dem ersten Differentialpaar 53» 54 über Widerstände 65 und 66 verbunden ist. Dieses zweite Differentialpaar arbeitet als Verstärker, der den lichtaussendenden Dioden 67» 68 und dem Widerstand 79» die auf der einen Seite in· Reih« liegen, und der lichtaussendenden Diode 69 und dem Widerstand 71 auf der anderen Seite Strom zuführen.

Im Betrieb führt eine Vergrößerung der Amplitude der an dem Anschluß 25 auftretenden Schwingungen zu einer Erhöhung des mittleren Stroms, der durch den Transistor 53 hindurchgeht, mit einer entsprechenden Verminderung des durch den Transistor 54 hindurchgehenden Stroms. Dies ergibt eine Zunahme der Spannung an dem Widerstand 59 und eine Abnahme der Spannung an dem Widerstand 60. Die Verstärkungswirkung der Transistoren 55 und 56 führt

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dazu, daß mehr Strom durch die lichtaussendenden Dioden 67 und 68 hindurchfließt und an dem Widerstand 70 mehr Spannung auftritt. Gleichzeitig werden der durch die lichtaussendende Diode 69 hindurchfließende Strom sowie die Spannung an dem Widerstand vermindert· Daher ruft eine Vergrößerung der Amplitude der Schwingungen eine Zunahme des durch die lichtaussendende Diode 68 hindurchfließenden Stroms und auch eine Verminderung des durch die lichtaussendende Diode hindurchfließenden Stroms hervor. Wie bekannt, nimmt der Lichtausgang einer lichtaussendenden Diode mit dem durch diese Diode hindurchfließenden Strom zu.

Die lichtaussendende Diode 68 ist optisch mit dem lichtempfindlichen Widerstand 34 gekoppelt, und die lichtaussendende Diode 69 ist optisch mit dem lichtempfindlichen Widerstand 33 gekoppelt.

Somit führt eine Vergrößerung der Amplitude der Schwingungen zu einer proportionalen Zunahme des aus der Diode 68 austretenden Lichts und zu einer entsprechenden Herabsetzung des Widerstandswertes des Widerstandes 34·· In ähnlicher Weise führt eine Vergrößerung der Amplitude der Schwingungen zu einer Erhöhung des Widerstandswertes des Widerstandes 33· ferner wird, wenn sich die Amplitude der Schwingungen verkleinert, der vorstehend genannte Zug von Ursachen umgekehrt, und der Wert des Widerstandes 34-nimmt zu, während der Wert des Widerstandes 33 abnimmt. Das Ausmaß bzw. die Geschwindigkeit, mit der dies erfolgt, wird von der Rückkopplungsschleife gesteuert, die lediglich für Übergangsbedingungen aktiv ist. Diese Ruckkopplungsschleife ist ein normales Verzögerungsnetzwerk, das aus dem Kondensator 100 und dem Widerstand 101 besteht und zur Basis

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des Transistors 54 rückgekoppelt ist. Der Kondensator 10ö ist wesentlich größer als der Nebenschlußkondensator 102.

Es ist nunmehr ersichtlich, daß, wenn die Schwingungen sich in ihrer Amplitude vergrößern würden, beispielsweise durch Bewegen des leitenden Ziels von der Näherungssonde weg, der Widerstand 34 abnehmen und der Widerstand 33 zunehmen würde, und daß somit die Dämpfung des aus den Widerständen 44, 43, 35, 34 und 33 bestehenden Η-Netzwerks geändert wird, wobei die Dämpfung sich vermindert (d.h. 1 zunimmt), und das Verhältnis

•sr¹ schärfer ansteigt als das Verhältnis

Daher nimmt, wenn die Dämpfung des Η-Netzwerks sich verkleinert, der Wert von /3 zu. Dies ist durch die Gleichung

(11) genau vorgeschrieben, und die Änderung des Wertes von β erfolgt in einer solchen Richtung, daß die Gleichung

(12) gültig bleibt. Es ist somit ein eine geschlossene Schleife bildendes System vorhanden, in welchem die von den Gleichungen (1) bis (7) bestimmten Brückenbedingungen erhalten werden, obwohl sich R₈ erheblich ändern kann.

Um-einen brauchbaren Ausgang zu erhalten, ist an dem Anschluß 25 eine Gleichspannung herzustellen. Hierzu schickt ein Konstantstromgenerator, der ein gemäß . Pig. 1 angeschlossener Transistor 38 ist, einen kleinen Gleichstrom durch den Widerstand 106 hindurch, der auf Grund der Gleichstromverstärkung des Verstärkers 12 und der Rückkopplungseinrichtung 13 eine Gleichspannung an dem Anschluß 25 erzeugt. Diese Spannung liegt typisch zwischen 1 und 2 V. Nunmehr hat E₀ sowohl eine Wechselstromkomponente (Schwingungen) als auch eine Gleich-

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Stromkomponente, von denen die Gleichstromkomponente, die einem sehr stabilen Gleichstromverstärker 79 zugeführt wird, an dem Ausgangsanschluß 80 erscheint· Ein weiterer Verstärker 74, der dem Verstärker 79, im wesentlichen identisch ist, hat einen Ausgangsanschluß 77« Auf Grund der in der oben beschriebenen Weise durchgeführten mathematischen Analyse liefert das Verhältnis der an den Anschlüssen 80 und 77 auftretenden Spannungen nunmehr eine genaue Kenntnis über die Wirkungen eines Ziels auf die Impedanz Epi*

Zur weiteren Veranschaulichung der Arbeitsweise des Stromkreises ist in Hg. 1 ein ratiometrisches Voltmeter 75 dargestellt, bei welchem die an dem Anschluß 77 auftretende Ausgangsspannung an den einen Eingangsanschluß des Voltmeters angelegt ist und die an dem Anschluß 80 auftretende Ausgangsspannung an den Bezugseingang des ratiometrischen Voltmeters angelegt ist. Ein solches Voltmeter kann typisch derart geeicht werden, daß es für Spannungseingangsverhältnisse von 0,1000 bis 0,9000 Werte zwischen 1,000 und 9.000 anzeigt. In Pig. 2 sind auf der y-Achse die Anzeigen des ratiometrischen Voltmeters markiert, wenn es in der vorstehend beschriebenen Weise geeicht ist. Die absolute Größe der Spannungen an den Anschlüssen 77 ^äcL SO ist nicht wichtig.

Die Kurve 94- in Pig. 2 zeigt, was für eine besondere Einstellung des Potentiometers 47 allgemein erwartet werden kann. Der mit 91 bezeichnete Bereich ist derjenige, innerhalb welchem die Gleichungen der geschlossenen Schleife sämtlich erfüllt sind· Außerhalb des Bereichs 91 würde die Verhältnisangabe

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unter 1,000 sinken oder 9·000 übersteigen und würde einen ^wN0 GO^M-Zustand ergeben» Wenn in der Sonde 14 oder in dem Kabel 19 eine Unterbrechung! ein Kurzschluß oder ein anderes fehlerhaftes Arbeiten auftreten sollte, würde die Verhältnisangabe unter 1,000 sinken und einen ^ttN0 G0^tt~Zu3tand darstellen*

Die Kurve 84 zeigt, was für eine andere unterschiedliche Einstellung des Potentiometers 47 allgemein erwartet werden kann· In dieses Fall ist de? Bereich 81 größer als in dem vorhergehenden Fall,

Die Kurven 97 und 87 in Fig. 2 sind eine übertriebene Darstellung der rms-Wechselspannung an dem BesonanzBchwingkreis, Diese Spannung hat, wie dargestellt, eine kleine positive Neigung, die den Umstand veranschaulicht, daß die sich selbst ausbalancierende Brücke fast perfekt ist, jedoch nicht vollständig, da eine endliche SchleifenverStärkung vorhanden ist.

Eine Verwendungsart des Näherungssondenstromkreises 11 ist diejenige, bei welcher der Strosk?eis als variables Meß- oder Eichsystem benutzt wird. Es ist ein mehrfaches Abfühlen mit einer einzigen Mihlsonde möglich. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Zielkugel 51B größer als die Zielkugel 31A und kleiner als di<§ Zislkugel 31C, Das Voltmeter 75 kann derart geeicht werden, daß es den Durchmesser der Kugeln anzeigt» Wenn der zentrale Teil der Voltmeterskala den Kennwert für die Zielkugel 31B anzeigt, dann ruft die kleinere Zielkugel 31A, die von der Sonde 14 weiter entfernt ist, eine größere Eingangsspannung und damit eine größere Detektorausgangsspannung an dem Anschluß 36 hervor. Diese größere Skalenanzeige würde als der Durchmesser der kleineren Zielkugel 31A zu eichen sein. Umgekehrt würde die größere

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Zielkugel JIG, wenn sie sich nahe der Sonde 14· befindet, die der Sonde am nächsten liegende aller Zielkugeln sein,wodurch die Eingangsspannung an dem Voltmeter 75 herab ges et ist wird» Das ratiometrische Voltmeter 75 kann dann mit vielen verschiedenen Graduierungen geeicht werden, wie zum Beispiel "nicht annehmbar, zu groß", "annehmbar, Güte 1", "annehmbar, Güte 2", "annehmbar, Güte 3" usw. bis "nicht annehmbar, zu klein"·

Der Sondenstromkreis 11 schafft auch die Möglichkeit für eine genaue Messung der Geschwindigkeit des Annäherns oder Entfernens eines Ziels, Der Differentiator 76 empfängt die Ableitung der Abstandsinformation und liefert die Geschwindigkeit, und die positive oder negative Neigung ergibt die Information darüber, ob das Ziel sich nähert oder entfernt.

In der vorstehenden Beschreibung ist ein leitendes Ziel zugrunde gelegt worden· Wenn ein magnetisch permeables Ziel von geringem Verlust verwendet wird, dann wird der Aus gangs zustand für Bewegungen des Ziels umgekehrt· Solche magnetischen Materialien von geringem Verlust können aus verschiedenen Zink- oder Mangankeramikstoffen bestehen, die oft als Ferrite bezeichnet werden· Es kann auch Eisenpulver verwendet werden· Mit einem· solchen Ziel, das hier mit Ferrit-Ziel bezeichnet wird, übersteigt die magnetisch permeable Wirkung die in einem leitenden Ziel auftretenden Wirbelstromverluste, obwohl es magnetisch permeabel ist, wie zum Beispiel massives Eisen.

Bei der Annäherung eines Ferrit-Ziels nimmt die Induktanz L rascher zu als sich der Widerstand R_e vergrößert, und R^-i vergrößert sich eher, als sich zu verkleinern.

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Wenn beispielsweise das Ziel ein Ferrit-Ziel ist', dann wird das Potentiometer 4-7 derart eingestellt, daß das ratiometrische Voltmeter den Wert 9.000 anzeigt, wenn sich ein Ziel an dem nahen Ende des dynamischen Bereiches befindet, beispielsweise dem 0,3 Zoll-Zielabstand des dynamischen Bereiches 81 (lig. 2). Wenn sich dann das Ziel entfernt, vermindert sich die Induktanz L rascher, als sich der Widerstandswert R_s verkleinert, so daß Rpi abnimmt. Bei der einen oder der anderen Zielart herrschen die vorgenannten ausfallsicheren Bedingungen, weil der Verstärker während des dynamischen Bereiches schwingt, und wenn die Schwingungen aufhören, wird ein "NO GO"-Zustand angezeigt, beispielsweise von dem ratiometrischen Voltmeter 75·

Die vorliegende Erfindung schafft einen sehr empfindlichen, hoch stabilen und wiederholbaren Näherungssondenstromkreis. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher anstelle des ratiometrischen Voltmeters ein integrierter Stromkreisvergleicher verwendet wurde, änderte der Vergleicher die Zustände mit einem /*D von 1/10 eines Tausendstel Zoll bei einer Abstandseinstellung von 0,300 Zoll. Die Gründe für eine solche Verbesserung sind deutlich erkennbar und in der oben gegebenen Analyse auseinandergesetzt.

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Claims

Patentansprüche

1. Naherungssondenstromkreis, dadurch'gekennzeichnet, daß er in Kombination folgende Bestandteile aufweist:

a) einen Verstärker mit einem Ausgang und einem Eingang,

b) eine Rückkopplungseinrichtung, die den Verstärkerausgang mit dem Verstärkereingang verbindet,

c) eine Näherungssonde,

ά) eine Einrichtung, welche die Sonde als Teil der Rückkopplungseinrichtung anschließt, um an dem Eingang des Verstärkers ein Signal zu erzeugen, welches in Übereinstimmung mit dem Abstand der Sonde von einem leitenden Ziel änderbar ist, und

e) eine Ausgangseinrichtung, die mit dem Verstärker derart verbunden ist, daß ein Ausgang erhalten wird, der gemäß dem änderbaren Eingang zu dem Verstärker änderbar ist.

'2· Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung einen Ausgang liefert, der dem Abstand zwischen der Sonde und einem leitenden Ziel direkt proportional ist·

3· Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung eine in der Rückkopplungseinrichtung befindliche änderbare Einrichtung aufweist.

4. Stromkreis nach Anspruch 3$ dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung eine Einrichtung

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enthält, welche die änderbare Einrichtung in Übereinstimmung mit dsm Verstärkerausgang steuert, ue das dem Verstärker zugeführte Eingangssignal bei einer Vergrößerung dee Verstärkerausganges zu Ysrmindern.

5· Stromkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die änderbare Hinrichtung eine passive Einrichtung ist.

6· Stromkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß er einen Brückenkreis enthält, der Brückenzweige als Teil der Rückkopplungseinrichtung aufweist, und daß die änderbare Einrichtung in zwei der Zweige des Brückenkreises eingeordnet ist.

7· Stromkreis nach Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungseinrichtung einen negativen und einen positiven Rückkopplungsteil aufweist und daß die änderbare Einrichtung in dem negativen Rückkopplungsteil angeordnet ist.

8. Stromkreis nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die änderbare Einrichtung eine erste und eine zweite lichtempfindliche Einrichtung aufweist, die in Push-pull-Art wirken.

9· Stromkreis nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die änderbare Einrichtung eine änderbare Impedanzeinrichtung aufweist.

10. Stromkreis nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, daß die änderbare Einrichtung eine änderbare lichtempfindliche Einrichtung ist.

11. Stromkreis nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er eine lichtaussendende Einrichtung enthält, die mit der lichtempfindlichen Einrichtung optisch gekoppelt ist, und daß die Ausgangseinrichtung eine Einrichtung aufweist, welche die lichtaussendende Einrichtung mit dem Verstärkerausgang verbindet.

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12. Stromkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangseinrichtung, welche die lichtaussendende Einrichtung mit dem Verstärkerausgang verbindet, Differentialverstärker aufweist·

13· Stromkreis nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindliche Einrichtung ein Photowiderstand ist und die lichtaussendende Einrichtung eine Photodiode ist.

14. Stromkreis nach Anspruch 1$, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtaussendende Einrichtung mit dem Verstärker aus gang verbunden ist und bei einer Erhöhung des Verstärkerausgangs eine Erhöhung der Lichtausstrahlung bewirkt und daß die lichtempfindliche Einrichtung in die Rückkopplungseinrichtung geschaltet ist und bei ihrer Beleuchtung durch die erhöhte Mchtausstrahlung die negative Rückkopplung zu dem Verstärker vergrößert.

15. Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker sowohl einen Wechselstromausgang als auch einen Gleichstromausgang aufweist, daß die Bückkopplungseinrichtung den Wechselstrom zu dem Verstärkereingang zurückführt und daß die Ausgangseinrichtung auf den Gleichstromausgang anspricht.

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