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Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Bestimmung des
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Abstandes eines magnetischen Sensors von einer leitfähigen Reaktionsschiene
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur sicheren Bestimmung
des Abstandes eines magnetischen Sensors von einer leitfähigen Reaktionsschiene,
bei dem eine Meßspule mit einer Wechselspannunq beaufschlagt wird und der vom Abstand
der Meßspule von der Reaktionsschiene abhängige Spulenstrom zur Messung des Abstandes
herangezogen wird. Besonders bei magnetischen Lagern und magnetischen Schwebeeinrichtungen,
wie sie zur Lageregelung von Trag- und Führmagneten in der Magnetfahrtechnik Anwendung
finden, muß der Abstand des Magneten kontinuierlich gemessen werden, um ein Signal
zu erhalten, mit dem der Magnet hinsichtlich des Erregerstroms so gesteuert wird,
daß er im vorgegebenen Sollabstand in der Schwebe bleibt. Die berührungslose Messung
eines Abstandes ist bereits vielfältig untersucht worden.
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Bei einem aus der DE-OS 28 03 877 bekannten Verfahren wird die abstandsabhängige,
magnetische Kopplung zweier Spulen ausgenutzt. Nachteilig dabei ist die große Empfindlichkeit
gegenüber der die Spulen anregenden Frequenz, da die Spulen in einem Resonanzkreis
bei Speisung mit fester Frequenz betrieben werden. Aufgrund eines geringen Nutzsignales
ist diese Anordnung empfindlich gegenüber äußeren elektrischen und magnetischen
Störfeldern.
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Das in der DE-OS 32 37 843 beschriebene Verfahren verwendet zur Führung
des magnetischen Flusses innerhalb des Sensors ferromagnetisches Material. Hierdurch
erfolgt eine Beeinflussung der Sensoreigenschaften durch äußere magnetische Felder
und eine Einschränkung auf die Messung der Distanz gegenüber einer ferromagnetischen
Reaktionsschiene.
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Die in der DE-OS 2 916 289 beschriebene Einrichtung zur Messung der
Luftspaltgrbße erstreckt sich über einen großen Bereich der genuteten Reaktionsschiene
und weist damit den Nachteil großer geometrischer Abmessungen auf.
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Allen bisher bekannten Verfahren und Einrichtungen ist gemeinsam,
daß keine sichere Überwachung des Sensorsignals für den Abstand erfolgt.
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Dies hat zur Folge, daß bei einem Fehler innerhalb des Sensors das
Sensorsignal einen Wert annehmen kann, der einem großen Abstand des Sensors zur
Reaktionsschiene entspricht, tatsächlich aber der Abstand klein ist.
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Je nach Einsatz und Anwendung des Sensors ergeben sich hieraus Einschränkungen
oder aber sicherheitskritische Zustände.
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Für die Anwendung der Abstandsmessung bei einer magnetischen Schwebeeinrichtung
würde der Fehler, daß bei einem kleinen mechanischem Abstand ein Signal entsprechend
einem großen Abstand gegeben wird, zu einer stärkeren Erregung des Magneten führen,
um den Abstand zu verkleinern und dadurch zu einer Berührung von Magnet und Magnetreaktionsschiene
bei hoher magnetischer Anpreßkraft führen. Dies stellt ein erhebliches Sicherheitsrisiko
dar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Gattung zu entwickeln, bei dem zusätzlich zu der Abstandsmessung
eine sichere Überwachung der Sensorfunktion erfolgt.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung
dadurch gelöst, daß eine zweite, mit der Schiene nur schwach in magnetischer Kopplung
stehende Referenzspule mit der gleichen Spannung wie die Meßspule beaufschlagt wird
und zur Messung des Abstandes der
Differenzstrom gebildet wird aus
dem Strom in der Meßspule und dem Strom in der Referenzspule in einer Betriebsart
Messen, und in einer Betriebsart Prüfen, je eine Zusatzimpedanz in den Meßspulenstromkreis
und in den Referenzspulenstromkreis periodisch zugeschaltet wird.
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Dadurch, daß die Referenzspule nur schwach mit der Schiene magnetisch
gekoppelt ist, entsteht im Referenzspulenkreis ein Strom, der vom Schienenabstand
unabhängig ist. Da die Referenzspule mit der gleichen Spannung wie die Meßspule
beaufschlagt wird, und ihr Strom vom Abstand unabhängig ist, kann der Differenzstrom,
gebildet aus dem Strom in der Meßspule und dem Strom in der Referenzspule als Meßgröße
für den Abstand dienen. Durch das Zuschalten der Zusatzimpedanz in den Meßspulenstromkreis
verringert sich der Meßspulenstrom und wird weitgehend unabhängig vom Abstand. Das
Zuschalten der Zusatzimpedanz in den Stromkreis der Referenzspule verringert den
Referenzspulenstrom entsprechend. Dadurch ist in der Betriebsart, Prüfen, die Differenz
des Meßspulen- und des Referenzspulenstromes weitgehend unabhängig vom Abstand.
Bei fehlerfreier Funktion der Gesamtanordnung ist der Differenzstrom in der Betriebsart
Prüfen durch einen bestimmten Wert gekennzeichnet, der sich mit dem Abstand nur
geringfügig ändert, so daß auftretende Fehler, die sich durch eine entsprechende
Abweichung bemerkbar machen, erfaßt werden können. Vorteilhaft bei dieser Anordnung
ist außerdem, daß durch die Bildung der Stromdifferenz aus Meßspule und Referenzspule
der Einfluß der Temperatur auf die Spulenwiderstände weitgehend eliminiert wird.
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Im einzelnen kann das Verfahren wie folgt vorteilhaft ausgestaltet
sein: Eine gute Anpaßmöglichkeit des Sensorsignals an verschiedene Materialien der
Reaktionsschiene ergibt sich dadurch, daß der Wirkanteil und der Blindanteil des
Differenzstromes durch einen im Takt der angelegten Spannung qesteuerten Schalter
getrennt, gleichgerichtet und anschließend geglättet werden.
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Die Nutung der Reaktionsschiene führt sowohl für den Wirkanteil als
auch für den Blindanteil des Differenzstromes zu Schwankungen. Diese Schwankungen
des aus den beiden Anteilen zusammenzusetzenden Signals
können dadurch
minimiert werden, daß der Wirk- und der Blindanteil des Differenzstromes so qewichtet
werden, daß der Einfluß durch die Nutung - eine Welligkeit - in beiden Anteilen
qleich groß und gegenläufig ist und damit das aus beiden qewichteten Anteilen gebildete
Summensignal - zu einem bestimmten Ausgangssignal - einen minimalen Nutungseinfluß
aufweist. Die Gewichtung erfolgt hierbei durch Verstärken oder Abschwächen um einen
nur durch die von den geometrischen Verhältnissen bestimmten, aber zeitlich konstanten
Faktor.
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Zur Prüfung der Schaltung wird in der Schaltphase, in der die Impedanzen
eingeschaltet sind, das Ausgangssignal auf die Einhaltung eines vorgegebenen Toleranzbereiches
überprüft. Liegt dieser Wert außerhalb des Toleranzbereichs so ist der Sensor fehlerhaft,
und es wird ein Signal zur Entregung des Magneten gebildet.
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Die Zusatzimpedanzen werden so dimensioniert, daß das Ausgangssignal
in der Betriebsart Messen und Prüfen bei einem bestimmten, minimalen Abstand, gleich
sind. Diesen Abstand bestimmt man so, daß ein Sicherheitsabstand von der Reaktionsschiene
nicht unterschritten wird.
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Liegt in der Betriebsart Messen das Ausgangssignal gleich oder unterhalb
des Minimalabstandes, so wird ebenfalls ein Signal zur Entregung des Magneten gebildet.
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Die Sicherheit bezüglich der Erkennung von Fehlern wird erhöht, wenn
zwei Sensoranordnungen in folgender Verkettung betrieben werden: Die Zuschaltung
der Zusatzimpedanzen erfolgt synchron und das Signal für die Zuschaltung der Impedanz
des ersten Sensors wird mit dem Ausgangssignal des zweiten Sensors auf Fehlerfreiheit
überprüft. Das Signal für die Zuschaltung der Impedanz des zweiten Sensors wird
mit dem Ausgangssignals des ersten Sensors auf Fehlerfreiheit überprüft. Aus beiden
Signalen für Fehlerfreiheit wird ein Signal für die Fehlerfreiheit der gesamten
Meßanordnung gebildet.
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Statt mit zwei räumlich getrennten Sensoren zu arbeiten, kann man
in vorteilhafter Weise mit einer räumlichen Zusammenfassung der Sensoren
arbeiten,
wobei eine Entkopplung der Spulen des ersten Sensors von den Spulen des zweiten
Sensors dadurch bewirkt wird, daß die Spulen des ersten Sensors mit einer anderen
Frequenz betrieben werden als die Spulen des zweiten Sensors.
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Die Entkopplung der Spulen kann auch durch die geometrische Gestaltung
der Spulen und/oder Anordnung der Spulen zueinander bewirkt werden.
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Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist
wie folgt aufgebaut: Eine Meßspule ist in der Offnungsebene eines leitfähigen, zur
Reaktionsschiene hin offenen Gehäuses angebracht.
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Eine zweite, als Referenzspule dienende Spule ist unterhalb der Meßspule
im Gehäuse angebracht. Eine Wechselspannungsquelle dient zur Speisung beider Spulenstromkreise.
Im Meßspulenkreis und im Referenzspulenkreis ist je eine Zusatzimpedanz eingeschaltet,
zu denen ein überbrückender Schalter parallelgeschaltet ist. Eine Differenzstrommeßstelle
ist in einem der Meßspule und der Referenzspule gemeinsamen Teil des Stromkreises
eingeschaltet. Das leitfähige zur Reaktionsschiene hin offene Gehäuse schirmt die
Meßspule gegen magnetische, umgebende Wechselfelder ab. Die Öffnung gegenüber der
Reaktionsschiene ermöglicht die Ankopplung an die Reaktionsschiene. Dadurch, daß
die Referenzspule in dem Gehäuse unterhalb der Meßspule angebracht ist, befindet
es sich im abgeschirmten Raum und ist zusätzlich durch die Meßspule gegenüber der
Schiene entkoppelt. Der Synchronschalter, der die.Zusatzimpedanzen periodisch und
gleichzeitig überbrückt, ermöglichen an der Differenzstrommeßstelle die abwechselnde
Abnahme des Meßsignals und des Prüfsignals, so daß eine dauernde Überwachung gewährleistet
ist. Im einzelnen kann die Vorrichtung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein:
Dadurch, daß die Referenzspule einen kleineren Spulendurchmesser hat als die Meßspule,
kann die magnetische Ankopplung beider Spulen an das Gehäuse ungefähr gleichgemacht
werden, wobei wegen der von beiden Spulen annähernd gleichen, in dem Gehäuse induzierten
Ströme die ohm'sche und auch die induktive Rückwirkung auf die Spulen annähernd
gleichge-
macht werden, so daß die Spulen in ihrem elektrischen
Verhalten annähernd gleich sind.
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Dadurch, daß die Meßspule in Form einer Schleife mit einem Wicklungssinn
und die Referenzspule in Form einer Spule von wechselndem Wicklungssinn gewickelt
sind, können die Meßspule und die Reaktionsspule einfach voneinander entkoppelt
werden.
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Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Es zeigen im einzelnen Fig. 1 eine perspektivische schematische
Ansicht eines Abstandsensors bestehend aus einer Sensorspule und einer Referenzspule.
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Fig. 2 das elektrische Ersatzschaltbild einer Sensorspule mit dem
abstandsabhängigen Verlustwiderstand und der abstandsabhängigen Gesamtinduktivität.
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Fig. 3 das elektrische Prinzipschaltbild der Speisung von der Sensorspule,
der Referenzspule, der schaltbaren Zusatzinduktivitäten und der Anordnung der Differenzstrommeßstelle.
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Fig. 4 eine schematisch dargestellt Schaltungsanordnung zur getrennten
Ermittlung der vom Abstand abhängigen Rückwirkungen auf die Wirk- und die Blindkomponente
der Sensorspulenimpedanz.
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Fig. 5 eine schematisch dargestellte Anordnung zur sicheren überprüfung
der Sensorfunktion und der Unterschreitung eines eingestellten Minimal abstandes
durch zyklischen Wechsel der Betriebsarten "Messen" und "Prüfen".
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Fig. 6 das zeitliche Takt- und Signalmuster zur sicheren Funktions-und
Minimalabstandsüberwachung.
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Bei dem in Fig. 1 in schematischer Weise dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zwischen den Polen 5 des Elektromagneten 6 der Sensor 4 derart angeordnet, daß
die Sensorspule 1 der ferromagnetischen Reaktionsschiene 7 zugewandt ist, gegen
die auch der Abstand ermittelt werden soll. Die außerdem im Sensor 4 angeordnete
Referenzspule 2 ist einem metallischem Schirm 3 zugewendet und unterliegt somit
nicht dem Einfluß der Reaktionsschiene 7. Außerdem hat der metallische Schirm 3
die Aufgabe, das magnetische Feld des Sensors 4 in Richtung der nicht dargestellten
Magnetspule des Magneten 6 abzuschirmen, um ein von der Einbausituation des Sensors
4 in den Magneten 6 unabhängiges Sensorsignal zu erhalten.
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Die Sensorspulen 1 und 2 sind vorzugsweise in gedruckter Leiterplattentechnik
ausgebildet.
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In Fig. 2 ist das elektrische Ersatzschaltbild einer der beiden Sensorspulen
1 oder 2 gemäß Fig. 1 dargestellt. Es enthält den Wirkwiderstand R (s) 12, der bei
der Sensorspule 1 vom Abstand s und von der Temperatur 2 abhängig ist, bei der Sensorreferenzspule
2 ausschließlich von der Temperatur 2 abhängig ist und es enthält den Blindwiderstand
X(s) 13, der bei der Spule 1 vom Abstand s abhängig ist und bei der Spule 2 vom
Abstand 2 unabhängig ist. Die Gesamtimpedanz Z 9 wird gebildet aus der Parallelschaltung
des Wirkwiderstandes R(s) 12 und des Blindwiderstandes X(s) 13. Bei der Speisung
mit der Spannung U 8 ergibt sich durch den Wirkwiderstand R(s) ein Wirkstrom iw
W 10 und durch den Blindwiderstand X(s) 13 ein Blindstrom iB 11.
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Der formale Zusammenhang dieser elektrischen Größen ist durch die
Beziehungen 14, 15 angegeben.
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Die elektrische Verschaltung der einzelnen Komponenten ist in Fig.
3 dargestellt. Die Sensorspule 2 mit der Impedanz Zs 9 bildet mit der Zusatzimpedanz
Z vs 18, dem Schalter 20, der Speisespannung 8 und der Differenzstrommeßstelle 16
einen geschlossenen elektrischen Stromkreis.
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Ebenso bilden die Referenzspule 2 mit der Impedanz ZR 17 der Zusatzimpedanz
ZVR 19, dem Schalter 20, der Speisespannung 21 und der
Differenzstrommeßstelle
16 einen weiteren elektrischen Stromkreis.
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Beide Stromkreise sind über die Differenzstrommeßstelle 16 so miteinander
verbunden, daß aufgrund der angegebenen Phasenlagen der Spannungen U5 8 und Uns'21
von der Strommeßstelle 16 der Differenzstrom 5 is - iR 22 erfaßt wird.
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In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung von Gleichspannungssignalen
entsprechend der Wirk- und der Blindkomponente des Differenzstromes is - R dargestellt.
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Dieser Schaltungsanordnung wird ein Differenzstromsignal i - iR 22
und die Speisespannung U5 8 zugeführt. s R Das Differenzstromsignals - iR wird dem
Schalter 24 zur Demodùlation des Differenzstromwirkantells uttd dem Schalter 25
zur Demodulation des Differenzstromblindanteiles zugeführt. Die entsprechenden Schaltsignale
werden in dem Komparator 23 aus der Speisespannung 8 abgeleitet. Ein mit der Speisespannung
8 phasengleiches Rechtecksignal steuert den Schalter 24, ein um 90O el. nacheilendes
Rechtecksignal steuert den Schalter 25. Das Ausgangssignal des Schalters 24 wird
in einem Filter 26 geglättet und liefert das Signal Uw 28 entsprechend der Wirkkomponente
des Differenzstromes; das Ausgangssignal des Schalters 25 wird in einem Filter 27
geglättet und liefert das Signal UB 29 entsprechend der Blindkomponente des Differenzstromes.
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Fig. 5 zeigt schematisch die Verschaltung des Sensors 30 entsprechend
Fig. 3, der Schaltungsanordnung 31 gemäß Fig. 4, einer Additionsschaltung zur Bewertung
und Addition der Signale Uw 28 und UB 29 und zusätzlichen Bausteinen zur sicheren
Überprüfung der Sensorfunktion und der Unterschreitung eines eingestellten Minimal
abstandes.
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Die Additionsschaltung enthält die Koeffizientenglieder 32, 33 und
die Summierstelle 34. Die Bedeutung der Additionsschaltung ergibt sich aus dem Umstand,
daß in der Reaktionsschiene 7 gemäß Fig. 1 angeordnete Nuten einen unterschiedlichen
Einfluß auf die Signale Uw 28 und UB 29 ausüben, wobei aber der vom Abstand abhängige
Einfluß auf
diese beiden Signale gleich ist. Ein minimaler Nutungseinfluß
ergibt sich bei auf die Nutung der Reaktionsschiene abgestimmter Bewertung durch
die Koeffizienten Kw 32 und KB 33.
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Das Schaltglied 35 wird durch das Signal T338 angesteuert und bildet
in Verbindung mit dem Kondensator 39 ein Halteglied, so daß am Ausgang dieser Schaltungseinrichtung
das kontinuierliche Abstandsignal 36 gebildet wird.
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Das Prinzip der sicheren Überprüfung der Sensorfunktion besteht in
der Anregung des Sensors durch das Schaltsignal T137, welches in dem Taktgenerator
40 erzeugt wird und dem Vergleich eines aus der Anregungsantwort des Sensors gebildeten
Impulsmusters mit einem aus der Anregung selbst gebildeten Impulsmuster. Hierzu
werden die Schalter 20 gemäß Fig. 3 periodisch durch das Signal T1 37 bestätigt.
Als Folge hieraus ergibt sich eine periodische Änderung des Stromdifferenzwertes
is -iR 22 zwischen dem aktuellen, vom Abstand zur Reaktionsschiene abhängigen, Meßwert
und einem durch die Zusatzimpedanzen ZVS 18 und Z VR 19 eingestellten Festwert,
der einem vorgegebenen Minimalabstand entspricht.
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Diese periodische Änderung wird in dem Ausgangssignal U541 der Summierstelle
34 abgebildet. Das Signal U541 wird einem Komparator 42 zugeführt In dem Komparator
findet ein Vergleich mit der an dem Widerstandsnetzwerk 54 anliegenden Spannung
51 statt. Weiterhin wird ein Signalmuster 55 über die Schalter 46,47,48 erzeugt
und den Komparatoren 43,44,45 zugeführt.
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In den Komparatoren findet ein Vergleich des Signalmusters 55 mit
dem an dem Widerstandsteiler 54 anliegenden Spannungen U4 50, U3 51, U2 52 statt.
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Der zeitliche Verlauf der Signale ist in Fig. 6 dargestellt. Während
des Taktes T6 57 nimmt das Signal 55 über den geschlossenen Schalter 47 den Wert
von U1 53 an. Hierdurch wird der Widerstandsteiler 54 dahingehend überpruft, daß
die Spannung U1 53 unterhalb der durch U2 52 gebildeten Schwelle liegt.
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Während des Taktes T7 56 nimmt das Signal 55 den Wert von U5 49 an.
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Hierdurch wird der Widerstandsteiler 54 dahingehend überprüft, daß
die Spannung U5 49 oberhalb der durch U4 50 gebildeten Schwelle liegt.
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Während des Taktes T3 nimmt das Signal 55 den Wert von U 41 an. Hier-5
durch wird überprüft, ob das Sensorausgangssignal innerhalb des durch die Schwellen
U3 51 und U4 50 gekennzeichneten Arbeitsbereich liegt.
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In der Betriebsart "Prüfen" ergibt sich während der Takte T6 57 und
T7 56 ein gleicher Signalverlauf wie in der Betriebsart "Messen".
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Während des Taktes T3 38 erfolgt eine Überprüfung, ob das Sensorsignal
U5 41 innerhalb des durch die Schwellen U2 52 und U3 51 gekennzeichneten Bereiches
liegt. Hierdurch erfolgt die überprüfung des Sensors 30 und der Schaltungsanordnung
31 hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften.
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Das in Fig. 6 dargestellte Taktmuster T1 37 ,T3 38 T6 57 T7 T 56 wird
in dem Taktgenerator 40 generiert. Die eigentliche Überprüfung der Sensorfunktion
erfolgt durch Bildung eines Taktmusters 58 in der Verknüpfungsschaltung 59, sowie
der Bildung eines Taktmusters 60 in der Verknüpfungsschaltung 61 mit nachfolgendem
Vergleich der Taktmuster 58, 60 in der Vergleichsschaltung 62. Die Vergleichsschaltung
62 liefert das logische Ausgangssignal 63, welches seinen Zustand bei Unterschreitung
des Minimal abstandes oder bei Sensorfehlern ändert.
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In Fig. 7 ist eine bezüglich der Sicherheit zur Erkennung von Fehlern
erweiterte Schaltungsanordnung dargestellt. Sie enthält zwei elektrisch voneinander
unabhängige Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 5, wobei eine Schaltungsanordnung die
Bausteine Sensor 30.1, Sensor- und Prüfelektronik 64.1, Taktaufbereitung 40.1, Signalverknüpfung
61.1, Taktverknüpfung 59.1 und Vergleichsschaltung 62.1 enthält. Für die andere
Schaltungsanordnung gelten die entsprechenden Bezeichnungen 30.2, 64.2, 40.2, 61.2,
59.2 und 62.2. Hinzugefügt ist die weitere Verknüpfungsschaltung 65, deren Ausgangssignal
66 dann den logischen Zustand ändert, wenn eine der beiden Schaltungsanordnungen
einen Fehler aufweist oder aber der Minimalabstand unterschritten wird.
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Diese Anordnung liefert die beiden vom Abstand abhängigen Signale
36.1 und 36.2.
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