DE1942017U - Ultraschallschranke fuer schutz-, schalt-, steuer- und messzwecke. - Google Patents

Description

•126003-8.3.66

bltraschallschranken-Anordnung großen Flächen-V/irkungsbereichs für Schutz-, Schalt-, Steuer- und Messzwecke-

■ Bei schnell laufenden Arbeitsmaschinen besteht die Gefahr, daß das Bedienungspersonal versehentlich in die Maschinenteile gerät und vernetzt wird. Von den Unfallgenossenschaften v,^rird deshalb nach einer schnell wirksamen und störungsfreien Unfallschutz= vorrichtung gesucht.

±j's sind eine Reihe von Einrichtungen bekannt, die als Lichtschranken arbeiten \_Λ\und. den Sicherungs= Lichtstrahl entweder mehrfach über den zu sichernden Raum führen [*2joder den von einer Glühlampe erzeugten Lichtstrahl durch ein Spiegelrad so ablenken, daß er eine große Fläche überstreicht [J) J .

Auf Lichtwirkung beruhende Schutzeinrichtungen sind verhältnismäßig störanfällig, ihre optischen Teile können durch Staub, Schmutz, Wasserdampf, Nebel oder durch ein Beschlagen der Glasteile erheblich in ihrer Funktion behindert v/erden.

Lichtschranken, die zusammen mit den nachgeschalteten Verstärkern im sogenannten " Gleichlichtverfaliren " arbeiten, können durch ein " Leck v/erden " des meistens sehr hochohmigen Lichtempfindlichen Bau= elements eine einwandfreie Funktion vortäuschen. .

Auf Grund dieser vielfältigen Störmöglichkeiten konnten sich die Berufsgenossenscaaften noch nicht zu einer generellen Empfehlung von lichtbetriebenen Schutzschranken entschliessen.

In neuerer Zeit verwendet man in steigendem I-iaße anstelle von Lichtschranken mehr und mehr Ultraschallschranken, · die eine Reihe, von ausgezeichneten Eigenschaften auf v/eisen,

Ultraschallgeber und Empfänger sind erschütterungsunoirrofindlich unci. mechanisch sehr robust. Sie sind im Bereich von minus Gr^d Celsius bis plus 200 Grad Celsius temperaturunenrnfindlich.

liis, Schnee oder Sonne beeinträchtigen nicht ihre Funktion.

Auch gegen Staub, Schmutz, Wasserdampf, Nebel usw. sind sie unempfindlich. Durch die Schallwirkung tritt sogar eine gewisse Selbstreinigung ein.

Ultraschallwellen breiten sich ähnlich dan Lichtwellen aus; sie lassen sich durch besondere Ultraschallspiegel und besonders ausgebildete .konstruktive .Einrichtungen auch richten und umlenken. Be,i Benutzung derartiger Schallenlcungseinrichtungen sind die bekannten optischen Gesetze allerdings nicht mehr anwendbart Sie können lediglich zur leichteren Erläuterung der Wirkungsweise herangezogen v/erden.

Professor Matauscheck verweist in seinen Buch ^;' Einführung in die Ultraschalltechnik ", VEB-Ver.lag, auf Seite 59 ausdrücklich darauf hin, daß: " die Gesetze der geometrischen Optik nur bei Wellenlängen, die sehr klein sind im Verhältnis zu den Abmessungen des Wellenfeldes, also der begrenzten Wandungen und Hindernissen und des Querschnitts des Wellenbündels, wie dies in der Lichtoptik in/den meisten Fällen erfüllt ist., ~oltor.

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der Ultraschallwellen ist dieser Tatbestand nie erfüllt".

Auf Seite 2^/-l-7 seines Buches führt Matauscheck weiterhin aus·, daß dies besonders gilt, wenn für die Schallkonzentration luftgefüllte Dosen oder Körper, deren Deckfläche aus einer Metallfolie bzw. einem dünen Metallblech hergestellt ist. Auch hat ein Lochblendenschallkonzentrator nach Spengler nichts riiit einer in der Optik verwendeten Sammellinse oder einem Drehspiegelrad gemein.

Die Konstruktive- Ausbildung der Schallenkungseinrichtungen entspricht nicht.¹'den vergleichsweise bei lichtoptischen Unfallschutzeinrichtungen benutzten optischen Mittel. (Siehe Pat 826 112, 833 06? und Pat 96? 57«).

Es sind Ultraschalleinrichtungen bekannt, die in ^:Anleimung an die optischen Schrankeneinrichtungen, durch einfache optischen Hohlspiegeln nachgebildete Schallenkungseinrichtungen

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eine 3 c hai !bündelung vornehmen, (Siehe Elektrotechnik ^r. 40/41 vom 6. Okt. 62; Verfahrenstechnische Berichte vom 22. Dez. 61, Seite 1550, Zeitschrift Process Control and Automation 8, 1961, S 402/403,; Haschine Design vom 1o. Mai 62, S 138, sowie die deutsche Patentschriften 563 744, 749 827 840 und 888 067, die französische Pat 946 63I, die brit. Pat 579 646, die USA-Pat 2 645 727).

Diese !einrichtungen sind jedoch nicht geeignet einen v/irklich sehr dünnen Ultraschallstrahl zu erzeugen. Sie lenken die von einem Ultraschallflächenschwinger erzeugten Schallwellen in sehr grober Weise zusammen· Wenn man von einem Zusammenlenken überhaupt sprechen kann, denn im Prinzip verwenden sie nur einen sehr kleinen Teil der vom Plächenschwinger erzeugten Schallwellen, nämlich nur jenen Teil, der auf den Hohlspiegel= teil auftrifft. Der übrige Schall tritt frei in den .Raum ein. Unter Umständen ruft dieser Schall sogar unerwünschte Rück= Wirkungen und Rückkopplungen hervor, der Resonanzschwingungen auslösen:': w könnte. Eine Ultraschall-Schutzschranke wie- sie in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, möchte aber gerade solche Rückwirkungen ausschliessen. Die im erwähnten Schriftum beschriebenen Einrichtungen erzeugen insbesondere keinen geeignet dünnen Schallstrahl. Ein solcher ist aber Bedingung,- wenn äAH?ete eine Schütz schranke kleine Teile, wie z.B. einen einzelnen Pinger des Menschen erkennen muß. Mn der Technik der lichtoptischen Schiitζschranken ist bewiesen, daß der Taststrahl mindestens gleichen, möglichst kleineren Durchmesser, wie das zu ertastende Objekt haben muß, wenn am lichtempfindlichen Bauelement ein ausnutzbares Signal abnehmbar sein soll.

Eine Schrankeneinrichtung die mit einem sehr feinen und hinreichend dünnen Ultraschallstrahl eine große Fläche abzusichern vermag, wurde im Schrifttum bisher nicht erwähnt.

Ebenso v/erden bisher noch keine derartigen Einrichtungen industriell erzeugt\ Diese beiden Tatsachen deuten darauf hin, daß ein noch nicht bekannter, erfindungsfähiger Gedanke vorliegt. X_n^

Die nachstehend beschriebene Erfindung betrifft eine Ultraschall= Schrankenanordnung, die alle bisher erwähnten Nachteile vermeidet.

Im Brennpunkt (1)' eines oarabolischen Ultraschallhohlkb'rOer-Spicgelteils (2) ist ein kalottenförmiger Ultaschallerzeuger (3) angeordnet. Die Schwingerkalotte des Ultraschallerzeugers (3) besitzt eine Krümmung, deren'.'Brennweite .der beabsichtigen Schrankenweite entspricht und die einen dünnen Schallstrahl (M-) von rrroßer Intensität- entstehen läßt. Der kalottenförmige Ultraschallerzeuger (3) ist auf der Achse (6) eines Antriebs= motors (5) befestigt. Durch Drehung der Achse (6) des Motors (5) v/ird der kalot.tenförmige Ultraschallerzeuger (3) in Rotation versetzt, so daß der von ihm erzeugte, scharf gebündelte und dünne Schallstrahl (M-) bei. jeder 3ύο Grad Umdrehung der Motor= achse (6) über das parabolisch geformte Ultraschallhohlkörper= Spiegelteil (2) geführt wird. Der Schallstrahl (M-) v/ird am Hohlspiegelteil (2) nach dem Gesetz " Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel " abgelenkt. Je nach der Länge des Ultraschallhohlkörper-Spiegelteils (2) führt der abgelenkte dünn fokussierte Schallstrahl (M-) bei jeder Achsenumdrehung des Motors (5) eine Auf/abwärtsbewegung oder bei anderer Drehrichtung umgekehrt, aus. Er tastet dabei über eine Fläche hinweg,, die dem gewünschten Sicherungsraujn (7) der Ultraschallschranke entspricht.

In Schrankenweite gleich der Brennweite des kalottenförmigen Ultraschallerzeugers (3) ist zum Empfang des scharfen, dünnen Schallstrahls (M-) ein weit er er Ultraschallhohlkörper-Spiegel= teil (8) angeordnet, in dessen Schallbrennpunkt (9) weitere Schallkonzentratoren (10), wie; Ultraschallinsen (10a), Kalottenempfangsschwinger (10b), Lochblendenkonzentratoren (10c) parabolische Konzentratoren (1Od) und ähnliche weitere "Einrichtungen, einmal oder mehrfach,zur weiteren Bündelung des einfallenden Schallstrahles (M-) eingebaut sind. Der einfallende Schallstrahl (M-) v/ird widerum nach, dem Gesetz " Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel " dem Schallbrennpiakt (9) des Empfangs-Spiegelteils (S) zugebrochen und trifft auf den schallfokussierenden Schallempfänger (10') auf.

Als UltracchallhohlkörOer-Spiogelteile v/erden dormelwandige ilcsonanzkör-oor (11) mit einem Wandungsabstand (12) im Wellenabstand A oder Teilen desselben verwendet.

Zur Verbesserung der Schalleitwirkung können auf gleicher Schallwellenlänge oder einer Harmonischen v/eitere Kalotten= schtLnger in den Schallstrahlweg eingeschaltet werden. Sie können mitschwingen oder auch zur V/irkungsvergrößerung von ausscn fremderregt we-rden.

jjJs ist besonders darauf hinzuweisen, daß Ultraschallschranken anordnungen der beschriebenen Arbeitsweise grundsätzlich in verschiedenen Medien, also nicht nur Luft, verwendet werden können. So sine. Ultraschallschranken dieser Anordnung zur überwachung von Plüssigraetallumläuf en in Kernreaktoren einsetzbar, wobei von ihr Veränderungen des Ziistandes des umlaufenden Mittels (Verdickungen, Erstarrungen, Knoten= bildimgen, usw.) erkannt werden können. Die fokussierenden Wirkungen des benutzten Hohlkörper-StiegeIteils haben dabei eine wesentliche Bedeutung, da die Deckflächen des Hohlkörpers (2) bzw. (3) einen Abstand'haben müssen, die einer in dem betreffenden Medium günstigen übertragbaren Schallwellenlänge entsprechen muß.- Da die Einhaltung des Wellenlängenabstandes Voraussetzung für die Schallresonanzwirkung ist, sind derartige parabolische Ultraschallhohlkörper-Spiegelteile (2) und (S) nur ale in sich geschloßene, mechanische Gebilde herstellbar.

Die Ausbreitung von Schallwellen in anderen Medien, wie Luft wird.durchweg .günstiger, denn sie ändern sich in Abhängigkeit des EDasti^rziitätsmoduls des Mediums und sind von der Güte der Schalleitfähigkeit, der verwendeten './ellenlange, der ]?ort= pfanzungsgeschwindigkeit und vielen weiteren Komponenten abhängig, die bei Licht bedeutungslos sind. So können Ultra= schallschrankeneinrichtungen der beschriebenen Art als Sicherungsschranken in undurchsichtigen Medien, wie Ül, . Asphalt, Kunststoffe, farben usw. verwendet v/erden.

•Besondere Bedeutung fällt Ihnen bei der Absicherung großer Flächenräume bei strahlungsgeiährlichen Einrichtungen, wie

IIcrnreaktoran, kernphysikalisclion Apparaten, υ. ξ ν/, zu. Hier sind lichtelektrische Einrichtung on nicht verwendbar, da die verwendeten lichtempfindlichen Bauelemente aufradioaktive Strahlungen ebenso, wie auf Licht reagieren. Sie können Licht nicht von radioaktiver Strahlung sicher genug trennen, während die auf mechanische Schwingungen

dies ansprechenden Ultraschallempf Linger ohne weiteres können.

lis wird .-jedoch erforderlich sein, die Ultraschallempfangs= frequenz mit einer fremden Kontrollfrequenz auf Frequenz= gleichheit zu prüfen.

Die Ultraschallschanken-Anordnung des Anmeldegegenstandes sieht deshalb eine elektronische Vergleichs-Torschaltung zur einwandfreien Auswertung des am schallfokussierenden Ultraschallempfängers (10') auftretenden Signals (12) vor. Wird die Überwachung der beiden verwendeten Frequenzen a^uf digitalen Wege vorgenommen, können Abweichungen leicht erkannt v/erden, Sie 'können aber auch zunächst gleichgerichtet werden'und erst als analoge-Spannung verglichen werden. In beiden Fällen v/erden Abweichungen erkannt und zur · Schaltung- eines Steuerrelais oder einer kontaktlosen Ausgangsstufe benutzt.

Claims (4)

fi ire 4 4359/4-84) Gbm Schutzansprüche

1. Ultraschall-Schrankenanordung großen Flächenwirkungsbereichs für Schutz-, Schalt-, Steuer- und Messzwecke, dadurch ge= kennzeichnet, daß im Schallbrennpunkt (1) eines parabolischen Ultraschallhohlkörper-Spiegelteils (2) ein kalottenförmiger Ultraschallerzeuger (3) rotierend angeordnet ist; der am Spiegelteil (2) abgelenkte Ultraschallstrahl (4) durch die Rotation des Schallerzeugers (3) eine große Fläche (7) ab= tastet und zu einem in Schrankenweite angeordneten zweiten Ultraschallhohlkörper-Spiegelteil (8) geführt wird, von ihm fokussiert wird und auf einen in dessen Schallbrennpunkt (9) angeordneten Ultraschallempfänger (10) trifft.

2. Ultraschall-Schrankenanordung wie Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß de.r bisherige Schallempfänger (10) entfällt und anstelle des zweiten Spiegelteils (8) beliebige hinreichend ebene, in Schrankenweite angeordnete Fläche die Rückführung des an. ihr reflektierten Schallstrahl (4) nach Fokussierung dmrch den abermals benutzten Spiegel

(2) zum nunmehr auch als Empfänger benutzten Schallerzeuger

(3) führt.

3· Ultraschall-Schrankenanordnung nach Anspruch 1 und 2 sowie folgende, dadurch gekennzeichnet, daß die parabolischen Spiegelteile (2) und (8) als doppeIwandige Resonanzhohl= körper mit zwei, in Wellenabstand angeordneten Deckflächen ausgebildet sind.

4. Ultraschall-Schrankenanordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß als Schallempfänger (10) ein Leucht= quarz, oder im kalottenförmigen Schallempfänger (10) eine Teilfläche durch einen Leuchtquarz ersetzt ist, oder eine Teilfläche zur Erzeugung einer Spannung zum Betrieb eines

J₁,. \uEiäuchtquaa?zes abgezweigt wird, der den Betrieb der Schranken= anordnung anzeigt»