DE3021164A1

DE3021164A1 - Elektrostatische abschirmung fuer ein elektrisches leiterelement

Info

Publication number: DE3021164A1
Application number: DE19803021164
Authority: DE
Inventors: Arthur Wilkie Richards; Valentino Francesco Vescovi
Original assignee: Sphere Investments Ltd
Current assignee: Sphere Investments Ltd
Priority date: 1979-06-19
Filing date: 1980-06-04
Publication date: 1981-01-08
Also published as: FR2459537A1; FI72632C; JPS5612799A; CA1138084A; AU535599B1; FI801932A; SE8004255L; FR2459537B1; FI72632B; AU5880780A; GB2057136A; GB2057136B; US4451812A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Abschirmung für elektrische Leiterelemente und bezieht sich insbesondere aber nicht ausschliesslich auf die Abschirmung von Sensorwicklungen in Annäherungsdetektoren, die beispielsweise beim automatischen Sortieren von Erzen verwandt werden können.

Beim automatischen Sortieren von Erzen ist es notwendig, alle Gesteine in einem sich bewegenden Strom nach Massgabe des Vorliegens oder des Fehlens einer gewählten Eigenschaft zu charakterisieren- Die Eigenschaft, die als Sortiergrundlage gewählt wird/ hängt von der Beschaffenheit des jeweiligen Erzes ab, es gibt jedoch bestimmte Erze, die auf der Grundlage des spezifischen Widerstandes und/oder der Permeabilität sortiert werden können. Beispielsweise zeigen Sulfiderze und aktive Kupfererze einen niedrigen spezifischen Widerstand, der als Sortiergrundlage verwandt werden kann, während ferromagnetische Eisenerze auf der Grundlage der magnetischen Permeabilität sortiert werden können. Die Aufnahme dieser Eigenschaften in einer automatischen Sortieranlage macht einen kontaktfreien Detektor erforderlich, der extrem empfindlich ist und der sehr schnell auf das Vorliegen der gewählten Eigenschaft bei einem sich schnell bewegenden Gesteinsbrocken ansprechen kann.

Eine Art eines hochempfindlichen kontaktfreien Detektors, der sich für den oben beschriebenen Anwendungszweck eignet, weist eine Sensorschleife oder Wicklung auf, die in einen Schwingkreis geschaltet ist. Bei der Benutzung des Detektors wird der Schwingkreis im wesentlichen zur Resonanz angeregt und wird das Vorliegen eines Gegenstandes, der eine elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Permeabilität zeigt, über eine Änderung in der Amplitude,der Frequenz oder der Phase des Signals im Schwingkreis oder über eine Kombination der-

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artiger Änderungen wahrgenommen. Ein spezieller Detektor dieser Art ist in der südafrikanischen Patentschrift 78/3420, der südwestafrikanischen Patentschrift 78/0067 und'der"australischen Patentschrift 40858/78 beschrieben.

Die'Empfindlichkeit von kontaktfreien Detektoren der oben ■ beschriebenen Art kann dadurch erhöht werden, dass die Arbeitsfrequenz des Schwingkreises erhöht wird. Das macht jedoch eine Verringerung der Gesamtschaltungskapazität erforderlich, wobei sich herausgestellt hat, dass die kleinen Änderungen~in der Gesamtkapazität, die durch das Vorliegen "irgendeines Gegenstandes, und zwar selbst eines nicht leitenden oder eines nicht magnetischen Gegenstandes hervorgerufen werden, gross genug werden können, um Störsignale hervorzurufen. Diese Schwierigkeit kann dadurch gemildert werden, dass eine elektrostatische Abschirmung zwischen der Wicklung und dem Strom der wahrzunehmenden Gegenstände eingeführt wird.

Zum Arbeiten mit sehr niedrigen Frequenzen kann eine dünne Metallplatte als elektrostatische Abschirmung ausreichen. Wenn die Arbeitsfrequenz jedoch zunimmt, stören die in der elektrostatischen Abschirmung erzeugten Wirbelströme das magnetische Feld der Wicklung derart, dass der Detektor nicht mehr arbeitet. Bei Detektoren, die mit einer Erregerfrequenz in der Grössenordnung von 100 klls arbeiten, kann diese Schwierigkeit grösstenteils dadurch überwunden werden, dass Drahtgitterabschirmungen verwandt werden, bei einer Arbeit mit höher Frequenz, beispielsweise mehreren MHz, schwächen die in den Drahtgitterabschirmungen erzeugten Wirbelstörme das übertragene magnetische Feld jedoch in nicht annehmbarem Mass.

Durch die Erfindung wird eine elektrostatische Abschirmung angegeben, bei der der Einfluss der Wirbelströme sehr stark verringert ist und die eine zuverlässige Arbeit eines

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Detektors bei wesentlich höheren Frequenzen erlaubt, als es bishermöglich war. -'-■-.-"- '----·" ^:v..~ - ; :-·-.::

Dazu weist die erfindungsgemässe elektrostatische Abschirmung für ein elektrisches Leiterelement eine- plattenartige An-'· Ordnung-von- eng benachbarten langgestreckten elektrischen Leitern und eine Einrichtung auf _r die elektrisch nur ein- Ende jedes Leiters mit" einem gemeinsamen- Potential- verbindet.

Die plattenartige Anordnung der.langgestreckten Leiter kann eben oder gekrümmt sein, je nachdem welche Beschaffenheit das abzuschirmende Leitereiemeht hat.' · " . '

Im Falle einer ebenen Anordnung kann wenigstens eine eben angeordnete Gruppe von langgestreckten· Leitern vorgesehen sein, die an einem Ende der Gruppe mit einem weiteren Leiter verbunden ist, der quer dazu und etwa in derselben Ebene wie die Leiter der Gruppe verläu£t> wobei letztere in gleichen Abständen innerhalb der Gruppe angeordnet "sind und an dem von dem weiteren Leiter abgewandten Ende der Gruppe in freien Enden auslaufen.* -.-'"■

Bei einer Anordnung kann eine einzige Gruppe von parallelen langgestreckten Leitern vorgesehen sein. -

Bei einer anderen Anordnung können zwei oder mehr Gruppen paralleler Leiter vorgesehen sein, die in benachbarten Reihen im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet sind und von denen jede mit einem separaten Endverbindungsleiter versehen ist. ^r ... L---- .- _t

Die Anordnung der langgestreckten Leiter kann auf einer Isolierplatte mittels der Technik der Herstellung gedruckter Schaltungen ausgebildet werden. In diesem Fall kann der Endverbindungsleiter oder können die Endverbindungsleiter und

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gleichfalls das abzuschirmende elektrische Leiterelement auf dieselbe Isolierplatte gedruckt werden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine abgeschirmte Leitereinheit, die eine elektrisch isolierende Platte, ein elektrisches Leiterelement,das auf einer Aussenflache der Platte ausgebildet ist _f und auf der anderen Aussenflache der Platte eine plattenartige Anordnung von eng beabstandeten langgestreckten elektrischen Leitern und einen weiteren Leiter aufweist, der elektrisch mit nur einem Ende jedes der langgestreckten Leiter verbunden ist.

Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht in einer elektrostatischen Abschirmung für ein elektrisches Leiterelement mit einer plattenartigen Anordnung von eng beabstandeten langgestreckten elektrischen Leitern, die an einem Ende der Anordnung über einen Endleiter zur Verbindung mit einem gemeinsamen Potential oder dem Massepotential miteinander verbunden sind. Der abzuschirmende Leiter kann die Form einer Schleife oder Wicklung haben, die auf eine Aussenflache einer Isolierplatte gedruckt ist,und die Anordnung der Abschirmungsleiter und des Endleiters kann auf die andere Aussenflache der Isolierplatte gedruckt sein. Die Abschirmung kann zwei oder mehr Gruppen paralleler Leiter aufweisen, die in benachbarten Reihen angeordnet sind und von denen jede mit einem separaten Endverbindungsleiter versehen ist.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild der elektrischen Schaltung eines Annäherungsdetektors.

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Fig. 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer abgeschirmten Wicklung, die in den Detektor eingebaut werden kann.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer abgeschirmten Wicklung.

Fig. 5 zeigen weitere Ausführungsbeispiele abgeschirmter ^{und 6} Wicklungen.

Der in Fig. 1 dargestellte Annäherungsdetektor weist einen Schwingkreis 10 aus einer Induktivität 12 und einem Kondensator 14, die parallel geschaltet sind, eine Schwingkreishalteschaltung 16, eine Pufferschaltung 18, einen Amplitudendetektor 20, einen Verstärker 24 und einen linearen spannungsgesteuerten Oszillator 26 auf.

Die Schwingkreishalteschaltung 16 erzeugt Stromimpulse mit konstanter Amplitude und einer Frequenz, die sehr nahe an der Resonanzfrequenz der Schaltung 10 liegt. Die Frequenz der Schwingkreishalteschaltung 16 wird auf der Resonanzfrequenz der Schaltung 10 über ein Rückkopplungssignal gehalten. Die Spannung über dem Schwingkreis 10 wird über den Amplitudendetektor 20 überwacht, der auf die Spitzenspannung anspricht» Die Pufferschaltung 18, die ein FfiT-Eingangsbreitbandverstärker mit einem Verstärkungsfaktor 1 ist, liegt zwischen der Schaltung 10 und dem Detektor 20, um zu verhindern, dass der Detektor die abgestimmte Schaltung belastet.

Wenn ein Gegenstand mit einem niedrigen Volumenwiderstand oder einer hohen magnetischen Permeabilität durch das elektromagnetische Feld der Induktivität 12 bewegt wird, fällt die Impedanz des Schwingkreises 10 aufgrund der Zunahme der elektrischen Verluste in Verbindung mit der Induktivität 12 ab.Da die Schaltung 10 über Stromimpulse konstanter Amplitude von der Schwingkreishalteschaltung 16 betrieben wird,

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wird sich die hochfrequente Spitzenspannung über der Schaltung 10 auf ihre Impedanz oder auf Änderungen im Q-Faktor ändern. Diese Änderung in der Spitzenspannung wird durch den Detektor 20 wahrgenommen und an den Verstärker 24 gelegt- Am Verstärker liegt auch eine Vergleichsspannung, so dass dieser als Differentialverstärker arbeitet.

Das Ausgangssignal des Oszillators 26 ist eine Impulskette, deren Frequenz proportional zu der am Oszillator 26 anliegenden Spannung ist. Durch die richtige Wahl der Vergleichsspannung kann die Ausgangsfrequenz des Oszillators 26 proportional zur Änderung in der Spannung über dem Schwingkreis gemacht werden. Man kann auch sagen, dass die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 26 von der Abnahme des Q-Faktors der abgestimmten Schaltung abhängt, die dann auftritt, wenn ein Gegenstand in das elektromagnetische Feld der Induktivität 12 bewegt wird.

Ein vollständiges Schaltbild und eine Beschreibung eines Annäherungsdetektors der in Fig. 1 dargestellten Art ist in der südafrikanischen Patentschrift 78/3420, der südwestafrikanischen Patentschrift 78/0067 und der australischen Patentschrift 40858/78 zu finden.

Die Induktivität 12 ist in Form einer Wicklung ausgebildet. Unter dem Begriff einer Wicklung sind auch eine ebene 'Schleife oder eine Teilschleife zu verstehen, die in Wirklichkeit die bevorzugte Form der Wicklung sind.

Fig. 2 und 3 zeigen die gegenüberliegenden Seiten eines Ausführungsbeispiels einer abgeschirmten Wicklung 3 0, die in den Detektor eingebaut werden kann, um die Induktivität 12 zu liefern. Die abgeschirmte Wicklung umfasst eine ebene elektrisch isolierende Platte 31, auf deren beiden Aussenflächen elektrische Leiter durch die Technik der Herstellung gedruckter Schaltungen aufgebracht sind. Die Platte 31, die

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aus einem Faserglasschichtstoff bestehen kann, trägt insbesondere auf einer Aussenfläche eine Wicklung 32 in Form eines Kupferleiters, der "in Form einer ebenen Schleife angeordnet ist, und auf der gegenüberliegenden Aussenfläche Kupferleiter, die eine elektrostatische Abschirmung 33 für die Wicklung bilden.

Die elektrostatische Abschirmung 33 umfasst eine ebene plattenartige Anordnung langgestreckter Leiter 34 und einen streifenförmigen Erdungsleitung. 35. Die Leiter haben die Form von langen schmalen Fingern, die eng beabstandet und parallel zueinander vom Erdungsstreifen 35 zu den äusseren freien Enden 36 verlaufen. Der Erdungsstreifen 35 erstreckt sich quer zu den Leitern 34 und verbindet die benachbarten Enden dieser Leiter an einem Ende der Gruppe in Längsrichtung der Leiter.

Die Leiter 34 können eine Breite in der Grössenordnung von 0,025 cm und eine Stärke in der Grössenordnung von 0,0025 cm haben. Sie sollten so eng wie möglich aneinander angeordnet sein, ohne dass an irgendwelchen Punkten ein elektrischer Kontakt zwischen ihnen über ihre Länge besteht. Im typischen Fall können sie in einem Abstand von etwa 0,011cm angeordnet sein. Es ist nicht möglich, diese Abmessungen in der Zeichnung genau wiederzugeben, so dass es sich versteht, dass die Zeichnungen schematisch sind und nur die Anordnung der langgestreckten Leiter, jedoch nicht die Gesamtanzahl oder die tatsächliche Grosse und den Abstand der Leiter zeigen.

Der Zwischenraum zwischen der Wicklung und der Abschirmung muss wesentlich grosser als die Zwischenräume zwischen den Leitern 34 sein. Die Stärke der Platte 31 kann beispielsweise etwa 10mal grosser als die Grosse der Zwischenräume zwischen den Leitern sein.

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Die ebene plattenartige Anordnung der Leiter 34 erstreckt sich vollständig über die Wicklung 3.2,und dient nach dem Einbau der Wicklungseinheit in den Detektor als Abschirmung zwischen der Wicklung und den wahrzunehmenden Gegenständen. Die Leiter 34 sind über den Erdungsstreifen 35 geerdet. Bei einer derartigen Anordnung ist der kapazitive Schaltkreis von der Wicklung über den wahrzunehmenden Gegenstand durch die geerdeten Leiter 34 nebengeschlossen. Die Einflüsse der Kapazität der wahrzunehmenden Gegenstände werden somit so klein wie möglich gehalten. Grosse Wirbelströme können sich jedoch nicht in den einzelnen Leitern entwickeln, da diese sehr schmal sind, so dass das magnetische Feld der Wicklung im wesentlichen unbeeinflusst bleibt.

Fig. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer abgeschirmten Wicklung, bei dem die elektrostatische Abschirmung zwei Reihen paralleler Leiter 34A umfasst, die in benachbarten Gruppen auf der jeweiligen Aussenfläche der isolierenden Platte 31A angeordnet und mit separaten Erdungsstreifen 35A versehen sind. Die Erdungsstreifen sind an den Kanten der isolierenden Platte so ausgebildet, dass die Erdungsverbindungen über einen Kontakt mit einem Metallkasten oder Gehäuse für die abgeschirmte Wicklungseinheit hergestellt werden können.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung sind die Längen der Leiter,die mit der Wicklung koppeln können, wesentlich geringer und ist daher die Abschirmungswirkung verstärkt.

Fig. 5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer abgeschirmten Wicklung, bei dem im wesentlichen alle langgestreckten Leiter der elektrostatischen Abschirmung die Wicklung 32B quer dazu kreuzen, wodurch die kapazitive Kopplung zwischen den Leitern und der Wicklung so klein wie möglich gehalten wird. In diesem Fall sind zwei Gruppen 41 paralleler

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gerader Leiter in benachbarten Reihen so angeordnet, dass sie über den mittleren Teil der Wicklung verlaufen. Zwei Reihen 42 von L-förmigen Leitern und eine weitere Reihe 43 paralleler gerader Leiter verlaufen über das offene Ende der Wicklung und zwei Reihen 44 von L-förmigen Leitern verlaufen über das geschlossene Ende der Wicklung.

Wenn die Sensorwicklung und die elektrostatische Abschirmung in Form einer einzigen gedruckten Schaltungseinheit ausgebildet werden, ist es möglich, alle relativen Bewegungen zwischen der Wicklung und der Abschirmung auszuschliessen. Das kann ein ausserordentlich wichtiger Vorteil bei der Arbeit mit hoher Frequenz sein, da bei hohen Frequenzen selbst kleine relative Bewegungen zwischen der Wicklung und der Abschirmung Änderungen in dem Schwingkreis hervorrufen können, die ausreichen, um Störsignale zu erzeugen.

Die erfindungsgemässe Ausbildung ist nicht auf den dargestellten Detektor und die dargestellten Wicklungen beschränkt, diese dienen lediglich als Ausführungsbeispiel. Die langgestreckten Leiter der elektrostatischen Abschirmung müssen nicht in Form einer gedruckten Schaltung ausgebildet sein, sondern können auch als getrennte Leitungsdrähte vorgesehen sein. Es ist weiterhin nicht notwendig,, dass sie in einer ebenen Anordnung vorgesehen sind, si£ können auch in einer zylindrisch gekrümmten plattenartigen Anordnung oder in einer anderen Form ausgebildet sein, was von der Beschaffenheit des abzuschirmenden Leiterelementes abhängt.

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Claims

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

H. KINKELDEY

DR-INQ

W. STOCKMAIR

DR- ING. - A*£ (CALTECHI

K. SCHUMANN

OR PfR NKT. - DJPL-PHYS

P. H. JAKOB

□«.-ING.

G. BEZOLD

OR PfR MW DlPL-CHEM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE *3

O h. Juni 1980

SPHERE DIVESTMENTS IiDD* . ρ 15 092P/ht. Bahama's Bldg, West Bay Street
Nassau, Bahamas

Elektrostatische Abschirmung für ein elektrisches
Leiterelement

PATENTANSPRÜCHE

\A-J Elektrostatische Abschirmung für ein elektrisches Leiterelement, gekennzeichnet durch eine plattenartige Anordnung von eng beabstandeten langgestreckten elektrischen Leitern (34, 34A, 41, 42, 43, 44) und durch eine Einrichtung (35, 35A), die elektrisch ein Ende jedes Leiters (34, 34A, 41, 42, 43, 44) mit einem gemeinsamen Potential verbindet.

c Abschirmung nach Anspruch 1, dadurch 7« e ;» -. :. zeichnet, dass die plattenartige Ano:: Zivsi\c; Lc*. langgestreckten Leiter (34. 34A, 41, 42 _s 43. -ti. i;.. v'-.-r

*) 2 O O S 2 / O S 7 1

3. Abschirmung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens eine ebene Gruppe von langgestreckten Leitern (34) vorgesehen ist, die an einem Ende der Gruppe über einen weiteren Leiter (35) miteinander verbunden sind, der quer zu den Leitern (34) der Gruppe und im wesentlichen in derselben Ebene wie die Leiter (34) der Gruppe verläuft, wobei die Leiter (34) in gleichen Abständen über die Gruppe angeordnet sind und am dem weiteren Leiter (34) abgewandten Ende der Gruppe.in freien Enden auslaufen.

4. Abschirmung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass zwei oder mehr Gruppen paralleler Leiter (34A) vorgesehen sind, die in benachbarten Reihen etwa in derselben Ebene angeordnet und jeweils mit einem separaten Endverbindungsleiter (35A) versehen sind.

5. Abschirmung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , dass die Anordnung der langgestreckten Leiter (34, 34A, 41, 42, 43, 44) auf einer Isolierplatte (31, 31A) über die Technik der Herstellung gedruckter Schaltungen ausgebildet ist.

6. Abschirmung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass der Endverbindungsleiter oder die Endverbindungsleiter (35, 35A) und auch das abzuschirmende elektrische Leiterelement (32, 32B) auf dieselbe Isolierplatte (31, 31A) gedruckt sind.

7. Abgeschirmte Leivereinhext mit einem elektrischen Leiterelement unc einer eieKvrost.ci.ciseiif-.ri. Abschirmung für das Leiter element, dadurci* ge., ti. η. zeichnet, dass das elektrische Leitereierasnt (32, 32A} auf einer

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Aussenflache einer elektrisch isolierenden Platte (31, 31A) ausgebildet ist und dass die elektrostatische Abschirmung (33) eine plattenartige Anordnung von eng beabstandeten langgestreckten elektrischen Leitern (34, 34A, 41, 42, 43, 44), die auf der anderen Seite der isolierenden Platte (31, 31A) ausgebildet sind,und einen weiteren Leiter (35, 35A) umfasst, der elektrisch mit nur einem Ende jedes der langgestreckten Leiter (34, 34A, 41, 42, 43, 44) verbunden ist.

8. Abgeschirmte Leitereinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass das elektrische Leiterelement (32, 32B) die Form einer Schleife oder Wicklung hat, die eine etwa rechteckige Form haben kann,und dass die langgestreckten elektrischen Leiter (34, 34A, 41, 42, 43, 44) so angeordnet sind, dass die Mehrzahl von ihnen in Querrichtung ein Segment der Wicklung kreuzt.

9. Abgeschirmte Leitereinheit nach Anspruch 7 oder

8, dadurch gekennzeichnet , dass der Zwischenraum zwischen dem Leiterelement (32, 32B) und der plattenartigen Anordnung der Leiter (34, 34A, 41, 42, 43, 44) grosser als die Zwischenräume zwischen den Leitern (34, 34A, 41, 42, 43, 44) ist.

10. Abgeschirmte Leitereinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , dass die Stärke der elektrisch isolierenden Platte (31, 31A) wenigstens ein Mehrfaches der Zwischenräume zwischen den Leitern (34, 34A, 41, 42, 43, 44) beträgt.

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