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Phywe-Lichtschranke an Cassy: Teil 2 - Detailbetrachtungen

Teil 1 - Teil 2

An Leybolds Interfacefamilie Cassy lassen sich mit einigen Einschränkungen auch Lichtschranken der Firma Phywe anschließen. Im Folgenden werden technische Details und Anwendungsbeispiele aufgezeigt.

Grundlage: Die Phywe-Lichtschranke verfügt über 3 Anschlussbuchsen: +5-V-Versorgung, Erde und Signal-Ausgang (Imp.Out) und sie kann am schnellsten über die Cassy-Timer-Box (524034) angeschlossen werden.

 

Phywe-Lichtschranke an Cassy

Alternative: Die Versorgungs­spannung von + 5 V kann auch direkt dem Cassy entnommen werden, welches allerdings nur über einen 12-V-Ausgang verfügt. Der Abgriff der 12 V an Pin 2 der 6-poligen Din-Buchse und die Vorschaltung eines leistungsstarken 100-Ω-Widerstands (mind 1 Watt, besser mehr, Widerstand kann sehr heiß werden) ermöglichen den Verzicht auf ein externes Spannungs­versorgungs­gerät.

Achtung: keine Gewähr dafür, dass die Geräte diese Betriebs­art lange überleben!

Phywe-Lichtschranke an Cassy Phywe-Lichtschranke an Cassy

Frequenzmessung

In einem ersten Versuch unterbricht ein rotierender Stativstab nacheinander den Lichtstrahl einer Phywe- und einer Leybold-Lichtschranke (Phywe: 11207-20, Leybold 33746). In beiden Fällen registriert Cassy eine Frequenz von 9 Hz.

Phywe-Lichtschranke an Cassy

Unterschiede zeigen sich allerdings, wenn man die Spannung zwischen GND (blaues Kabel) und der Signalleitung (schwarzes Kabel) misst. Bei der Leybold-Lichtschranke erfolgt bei Strahlunterbrechung ein Spannungsanstieg, bei der Phywelichtschranke ist es umgekehrt.

Spannungsverlauf bei Strahlunterbrechung

... was auch sich auch bei Phywe nachlesen lässt:

In den folgenden Detailaufnahmen sind die Strahlunterbrechungen künstlich übereinander gelegt.


Cassy-Datei, Version CassyLab 1.x oder 2.x
rechte Maustaste, Ziel speichern unter ...

Spannungsverlauf_Lichtschranken_0.lab

Spannungsverlauf Strahlunterbrechung Detail 1 Spannungsverlauf Strahlunterbrechung Detail 2

Bevor die Gründe für dieses entgegensetzte Verhalten dargelegt werden sollen, sei erwähnt, dass der Einbau eines zusätzlichen Invertierers die Kompatibilität schlagartig erhöhte.

Bau des Invertierers: siehe Teil 1

Im Folgenden wird ohne Invertierer gearbeitet.

Schaltung Timer

Unterschiedliche Philosophie

Gemeinsam ist beiden Systemen (Phywe, Leybold), dass das an einem im Messgerät befindlichen Messpunkt S gegenüber GND anliegende Potential bei 0 V als Low (L, 0) und bei +5 V als High (H,1) interpretiert wird. Bei Leybold wird S geräteseits, also im Pocket-Cassy oder Sensor-Cassy bzw. der angeschlossenen Box, über einen großen Widerstand (~ 16 kΩ) auf +5 V gelegt. Die Lichtschranke, die als Schalter fungiert, verbindet bei freiem Strahl den Punkt S mit GND, so dass die Spannung von 5 V über dem großen Widerstand abfällt und S auf GND-Potential liegt. Bei unterbrochenem Strahl = geöffnetem Schalter ist S nicht mit GND verbunden und liegt folglich auf +5 V.

In Phywe-Zählgeräten muss der Punkt S aktiv von außen auf verschiedene Potentiale gehoben werden, was alleine ein "entgegengesetztes Verhalten" der Phywelichtschranke noch nicht erklärt. Wesentlich ist die umgekehrte Schaltlogik, die sich bei Verwendung an einem Leybold-Messgerät ergibt: Bei freiem Strahl wird Imp.Out auf + 5 V gelegt, was zum Potential H des Punktes S im Cassy passt. Eine Strahlunterbrechung führt zum Absenken des Potentials an Imp.Out und damit an S auf 0 V.

Potential an S Phywe Leybold
Strahl frei +5 V (High=H=1) 0 V (Low=L=0)
Strahl unterbrochen 0 V (Low=L=0) + 5 V (High=H=1)

Laufzeitmessung

Eine einfache Laufzeitmessung, wie sie z.B. beim "Freien Fall" oder Fahrbahnversuchen stattfindet, ist mit der Phywe-Lichtschranke problemlos möglich. Im Folgenden soll der Freie Fall einer Kugel betrachtet werden, hier findet sich der Aufbau mit Leybold-Material. Als Startkontakt fungiert die Kugelauslöseklammer (Phywe 02505-00), die bei Betätigung für eine Flanke L → H sorgt, da die beiden Kontakte GND und S über die leitende Kugel zunächst kurzgeschlossen sind (Low) und dann der Kontakt unterbrochen wird (High). Als Stopp-Kontakt dient die Lichtschranke von Phywe, die beim Einfallen der Kugel für eine Flanke H→ L sorgt und beim Wiederfreigeben des Strahls für die Flanke L → H. Da Cassy für Start und Stopp identische Flankenverläufe erwartet, stoppt die Zeit - anders als bei der Leybold-Lichtschranke - erst, wenn die Kugel die Lichtschranke wieder verlässt. Mit einer kleinen Veränderung ist aber auch ein Stoppen beim Kugeleinfall zu erreichen:

Phywe-Lichtschranke an Cassy

Per Menüeinstellung werden die Flanken umgekehrt, so dass H→ L -Flanken zum Starten und Stoppen führen. Obwohl die Kugelauslöseklammer ein "Öffner" ist, läuft die Stoppuhr zuverlässig los, denn das Prellverhalten der Kugelauslöseklammer sorgt bei jedem Auslösen für mehere H-L-Wechsel und führt somit zu mindestens einer H→ L-Flanke.

Spannungsverlauf Kugelauslöseklammer

Hier das ganze noch mal im Detail, wobei anzumerken ist, dass die Verbindung zwischen den Messpunkten höchst fragwürdig ist: Die Spannung wurde in zeitlichen Abständen von 10 µs gemessen, so dass überhaupt nicht auszuschließen ist, dass sich zwischen den Messpunkten weitere L- und H-Zustände befinden.

Zustände H und L im Detail

Betrieb mit Speichenrad als Bewegungsmesswandler (BMW)

Leybolds Speichenrad zur Aufnahmen von Bewegungen ist ein eigenes Gerät (337462+337464), während die kleine Phywelichtschranke ein ansteckbares Speichenrad ("Inkrementalrad") mitbringt. Beim Vergleich beider System muss eine Fallunterscheidung eingebaut werden: In Verbindung mit der Timer-Box 524034 wird der innere Speichenkranz des Leybold-Rades abgetastet und es ist keine Drehrichtungserkennung möglich. Erst die Box Timer-S 524074 greift auf den feineren, äußeren Kranz zu und ermöglich eine Drehrichtungserkennung. Die Phywe-Lichtschranke ermöglicht keine Drehrichtungserkennung

Speichenräder von Phywe und Leybold

 

  Phywe 11207-20 an Timer-Box 524034 oder Timer-S 524074 Leybold 337462+337464 an Timer-Box 524034 Leybold 337462+337464 an Timer-S 524074
Anzahl der Speichen 20 16 40
Durchmesser (Schnurrille, Herstellerangabe) 25 mm 52 mm 52
Drehrichtungserkennung? nein nein ja
Auflösung bei Messung mit Cassy-Lab 1 cm 1 cm ± 1 mm

Im Folgenden ist ein Bindfaden nacheinander über beide Speichenräder geführt worden. Der Weg des Leybold-Speicherads wurde über Timer-S in 1-mm-Auflösung registriert, das Phywe-Speichenrad war an die Timer-Box mit 1-cm-Auflösung angeschlossen. Aus den Herstellerangaben ergibt sich ein Umrechnungfaktor zwischen den zurückgelegten Strecken von 2,6, im Experiment wurde 2,47 gemessen.

BMW1

In einem weiteren Versuch wird die fehlende Richtungserkennung bei der Kombination Phywe-Lichtschranke an Leybold-Cassy deutlich. Während sich der Körper tatsächlich vor und zurück bewegt (0→ 0,4 m →0), zeigt die rote Kurve eine zunehmende Entfernung (0→ 1 m → 2 m).

BMW2


Cassy-Datei, Version CassyLab 1.x oder 2.x
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bmw1.lab


Cassy-Datei, Version CassyLab 1.x oder 2.x
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bmw2.lab


Cassy-Datei, Version CassyLab 1.x oder 2.x
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bmw3_feder.lab

 

Eine Drehrichtungserkennung ist bei einfachen "Fahrbahnversuchen" nicht nötig, aber zum Beispiel, wenn die Schwingung eines Federpendels aufgezeichnet werden soll. Anstelle einer schönen Sinuskurve zeigt sich dieses Bild.

BMW3

Anschluss Phywe- und Leybold-Lichtschranke an Digitalzähler

Bei Leybolds Digitalzähler 57540 (oder Phywe 13601-99 oder Leybold 575 48) sind die Flankeinstellungen für jeden Eingang individuell wählbar und daher können bei Lichtschranken der jeweils an deren Firma die Flanken passend gewählt werden:

Dunkelzeitmessung, links mit Leybold-Lichtschranke und L-H-L-Flankenfolge und rechts mit Phywe-Lichtschranke 11207.20 und H-L-H-Flankenfolge.
Die Phywe-Lichtschranke 11207.20 benötigt eine separate Spannungsquelle, weil sie an 5 V betrieben wird - während Leybolds Lichtschranken über die Kabel mit 6-poligem Din-Stecker an 12 V angeschlossen sind.
Der High-Pegel ist bei beiden Systemen mit 5 V identisch.

 


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