CH667954A5

CH667954A5 - Naeherungsschalter mit beruehrungsloser ausloesung.

Info

Publication number: CH667954A5
Application number: CH12985A
Authority: CH
Inventors: Bruno Weisshaupt
Original assignee: Baumer Electric Ag
Priority date: 1985-01-11
Filing date: 1985-01-11
Publication date: 1988-11-15
Also published as: DE3542901A1; GB2169711B; JPS61163529A; FR2576165A1; GB2169711A; GB8600168D0

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Sensortechnik und betrifft einen Näherungsschalter mit Oszillatorteil und Auswerteelektronik einerseits und Bedämpfungsteil andererseits.

Das Prinzip der Schalter mit berührungsloser Auslösung oder Näherungsschalter besteht im wesentlichen auf der positiven bzw. negativen Bedämpfung oder der Verstimmung eines offenen Oszillators, durch Einbringen von paramagnetischen Materialien in das von der Oszillatorspule generierte elektromagnetische Feld. In der Regel benützt man wechselstrom-durchflossene Spulen mit einem die Feldlinien verdichtenden Spulenlenkern aus ferromagnetischem Material, welche im sich nähernden metallischen Bedämpfungsteil Wirbelströme induzieren, und zwar umso intensiver, je kleiner der in der Hauptach-senrichtung des Feldes liegende Abstand zwischen Bedämpfungsteil und Spule ist. Der durch den Wirbelstromanteil in der Spule entstehende Energieverlust, wird als Bedämpfung des Oszillators wahrgenommen.

Das Annähern des Bedämpfungsteils an den Oszillator,

kann in Richtung Spulenhauptachse oder schräg bis orthogonal zu dieser erfolgen. Oberhalb einer bestimmten relativen Näherungs-Geschwindigkeit, wird aus Sicherheitsgründen die Annäherung des Bedämpfungsteils und damit (meist) eines mehr oder weniger schweren Maschinenteils, in Hauptachsenrichtung des Feldes, d.h. auf den Oszillator zu, vermieden. Die seitliche, also eine schräge bis orthogonale Annäherung eines Bedämpfungsteils an das elektromagnetische Spulen-(Oszillator-) Feld, mit einem geometrisch freien Auslauf, wird in der Regel bevorzugt.

Bis anhin nachteilig an diesen Näherungsschalter war, insbesondere bei seitlicher Annäherung mit höherer Geschwindigkeit, deren für Positionierungszwecke ungenügende Genauigkeit oder Reproduzierbarkeit des Schaltpunkts, der unter anderem auch empfindlich temperaturabhängig sein kann. Ans der Natur der Sache, lässt sich weiterhin eine Hysterese zwischen Be-dämpfung/Entdämpfung aus einer Richtung und der Bedämp-fung/Entdämpfung aus der Gegenrichtung nicht vermeiden. Sie hat ihren Grund in der «elektromagnetischen» und vor allem mechanischen Trägheit des Systems, welche als diesem inhärent hingenommen werden muss. Trotzdem ist ein als Präzisionsschalter einsetzbarer Näherungsschalter wünschenswert, der mit hoher geometrischer Auflösung reproduzierbar zu schalten vermag und dessen Realisierung ungefähr einen mit gewöhnlichen Näherungsschaltern vergleichbaren Aufwand erfordert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen solchen Schalter zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst. Dies ist ein neuer Näherungsschalter mit zwei oder mehr Schaltpunkten, die von einem Bedämpfungsteil direkt beeinflussbar sind. Die Lösung des räumlich engen Zusammenlegens zweier Oszillatorteile von zwei separaten Schaltern ist denkbar und würde den Erfindungsgedanken eigentlich miteinbeziehen, doch ist hier, um einen wirklichen Präzisionsschalter zu realisieren ein grösserer Aufwand nötig, als es die Herstellung von Schaltern mit mehr als einem Oszillator erfordert.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren, wird nun eine Ausführungsform der Erfindung eingehend diskutiert.

Figur 1A und Figur 1B zeigen in einer geometrischen Darstellung in Y- und Z-Richtung dargestellt die prinzipielle und erfindungsgemässe Anordnung der wesentlichen Bauelemente, Oszillatorteil B1/B2 mit zwei Oszillatoren und Bedämpfungsteil A, eines als Präzisionsschalter verwendbaren Näherungsschalters;

Figur 2 zeigt bekannte Oszillator-Signalverläufe UBI und UB2 in Abhängigkeit des Weges des Bedämpfungsteils A;

Figur 3 zeigt übereinandergezeichnet, experimentell ermittelte Signalverläufe, mit Hervorhebung eines Oszillators;

Figur 4 zeigt experimentell ermittelte Signalverläufe überlagerter Signale beider Oszillatoren, die als Nutzsignal für die Schaltersteuerung dienen können und

Figur 5 zeigt im Blockschema den ungefähren Minimalaufwand für einen Präzisionsschalter;

Figur 6 zeigt im Zusammenhang mit Fig. 5 schaltungstechnische Details des Präzisionsschalters gemäss Figur 5;

Figur 7 zeigt eine Skizze der parallelen Anordnung einer Oszillatoren mit ungefähren Massangaben und

Figur 8 zeigt schliesslich eine Skizze einer antiparallelen Anordnung der Oszillatoren, bspw. für eine Gabelschranke.

Wie einleitend ausgeführt, führt die träge Wechselwirkung zwischen Bedämpfungsteil und Oszillator zu einer geschwindig-keitsabhängigen Hysterese in Bezug zur Wegachse des Bedämpfungsteils. Es wird nun nicht etwa versucht, diese Wechselwirkung zu beschleunigen, damit der Schalter «schneller» reagiert; die Erfindung geht im Gegenteil von unveränderten Gegebenheiten aus und realisiert folgende Idee:

Der Schalter muss ein reproduzierbares, geometrisch hoch aufgelöstes Erkennen der Position eines metallischen Gegenstandes (Bedämpfungsstück) ermöglichen, wenn das elektromagnetische Sensor-Feld anstelle von einem, von zwei oder mehreren Oszillatoren gebildet wird. Bei seitlichem oder schrägem Annähern eines metallischen Gegenstandes in ein von mehreren Oszillatoren aufgebautes Überlagerungsfeld, wird, ausser

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im Spezialfall der durch Symmetrie invariablen Annäherung in Hauptachsenrichtung des abgestrahlten Oszillatorfeldes, jeder Oszillator (zeitlich) nichtkoinzident zu den anderen beeinflusst werden. Die zeitliche Differenz zwischen den Oszillator/Be-dämpfungsstück-Wechselwirkungen entsprechend dem Signalverlauf der kombinierten Oszillatoren werden ausgewertet.

Im Zusammenhang mit Figur 1 lässt sich als spezielle Ausführungsform ein Zwei-Oszillatorsystem folgendermassen beschreiben. Auf ein orthogonales räumliches System bezogen, erzeugen zwei bspw. von der Z-Achse und auf derselben Seite der X-Ebene gleich weit entfernte Oszillatoren Bl und B2 je ein sich in die gleiche Richtung Z ausbreitendes elektromagnetisches Sensorfeld. Die Einzelfelder stehen vorzugsweise in linearer Superposition zueinander. Auf die physikalische Beschaffenheit des durch Überlagerung von Einzelfeldern gebildeten Gesamtfeldes wird hier nicht eingegangen.

Bei seitlichem, hier im wesentüchen rechtwinklig zur Z-Ach-se verlaufenden Annähern des Bedämpfungsstückes A in X-Richtung an das Oszillatorfeld, wird zuerst der Oszillator Bl beeinflusst werden. Der Oszillator B2 bleibt dagegen in seinem Verhalten noch stationär. Sukzessive werden mit einem Phasenverzug Xp beide Oszillatoren vom Bedämpfungsstück beeinflusst, am Symmetriepunkt Xo im wesentlichen gleichmässig, bis schliesslich nur noch der Oszillator B2 mit dem Bedämpfungsstück A in Wechselwirkung steht. Man erkennt hieraus, dass Bewegungen des Bedämpfungsstückes in der X, Y-Ebene, ausser in Y-Richtung (Fig. 1B), ein zeit- und richtungsabhängiges, ungleiches Verhalten der Oszillatoren bewirkt, während eine Bewegung in Z-Richtung, unter Einhaltung der hier leicht erkennbaren Symmetriebedingung, sich die Oszillatoren (wie auch in Y-Richtung) im wesentlichen gleich verhalten. Bei schräger Näherung im Winkel alpha zur Z-Achse, ist die Phasenbeziehung Xp zwischen den beiden Oszillatoren ein Xp = trig.f (alpha). In der Regel wird man den Bedämpfungsteil rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung oder Hauptachsenrichtung des Ge-samt-Feldes bewegen.

Dies alles vorausgesetzt, ergibt bei einem vollen Durchgang eines Bedämpfungsstückes durch ein Überlagerungs-Feld die in Figur 2 simulierten einzelnen Signalverläufe. Das Diagramm zeigt einzeln Oszillatorspannungen UBI und UB2 in Abhängigkeit von der Lage des nicht dargestellten Bedämpfungsteils zu den beiden Oszillatoren Bl und B2 und dient zur Diskussion von grundsätzlichen Zusammenhängen bei der speziellen Ausführungsform mit zwei Oszillatoren.

Bei einer Annäherung des Bedämpfungsstückes in der Wegrichtung des Weg-Spannungsdiagramms auf die beiden Oszillatoren Bl, B2 zu, bedämpft dieser ferromagnetische Gegenstand zuerst den Oszillator Bl durch Entzug von Energie, die zur Bildung der Wirbelströme im Bedämpfungsstück aufgewendet werden muss. Die Spannung am davon betroffenen Oszillator Bl fällt sukzessive zusammen, während der räumlich weiter entfernte Oszillator B2 davon noch nicht betroffen ist. Zwischen den beiden Hauptachsen der Oszillatorfelder, beginnt sich nun das Bedämpfungsstück vom Oszillator Bl zu entfernen, nähert sich aber immer noch dem Oszillator B2, bis es sich schliesslich von beiden Oszillatoren Bl, B2 wegentfernt. Auf diese Weise entstehen sich überlagernde Be- und Entdämpfungskurven mit einem ausgeprägten Schnittpunkt genau zwischen den Oszillatoren, jedoch nur dann, wenn beide Oszillatoren innerhalb einer möglichst geringen Abweichung die gleiche Steilheit von Be-und Entdämpfungskurven bei gleichem Oszillator/Bedämp-fungsteil-Abstand aufweisen. Das Diagramm zeigt ferner noch Schnittpunkte in Abhängigkeit des minimalen Oszillatorabstands vom Bedämpfungsstück, was sich ja in einer Änderung der Steilheit auswirkt. Hier wird der Darstellung wegen von einem feststehenden Bedämpfungsteil ausgegangen, dem die beiden Oszillatoren Bl, B2 in den minimalen, also lotrechten Abständen A=a;B = b;C = c genähert werden. Die gezeigten

Lagen der Schnittpunkte aus den Kurvenpaaren A, a, öder B, b oder C, c lassen die relative Unempfindlichkeit dieser Schnittpunkte bzgl. des Abstands Bedienungsstück/Oszillator in Z-Richtung erkennen. Bei ungleichen Abständen zweier Oszillatoren von der X, Y-Ebene, entstehen Kurven verschiedener Steilheit. Dies kann zu einer Einstellung oder Verschiebung des Schnittpunktes in Bezug zur Bewegungsrichtung des Bedämpfungsstückes ausgenützt werden. Allerdings tritt durch die damit bewirkte Schiefsymmetrie eine entsprechend der Schiefe zunehmende Empfindlichkeit auf Verschiebungen in Z-Richtung ein.

Wie eben erwähnt, ist die jeweilige Steilheit der Be- und Entdämpfungskurve auch eine Funktion des Abstandes zwischen Oszillator (Feldaustrittsstelle) und dem Bedämpfungsstück. Der im wesentlichen sigmatoide Verlauf zwischen maximaler Be- und völliger Entdämpfung, setzt einer Schar genau detektierbarer Schnittpunkte SAa, SBb, SCc natürlich Grenzen. Dieser Sachverhalt ist mit den Kurven Cc dargestellt. Man sieht daraus auch den Einfluss des Abstandes D der Oszillatoren voneinander.

Figur 3 zeigt nun eine experimentell ermittelte Kurvenschar zl bis z4 im Spannungs/Weg-Diagramm. Jeder Oszillator Bl und B2 wurde einzeln gemessen und dessen abgegebene Spannung aufgezeichnet, es handelt sich also noch nicht tun Spannungsverläufe der schaltungstechnisch kombinierten Oszillatoren. Der Parameter z steht für den Abstand auf der Hauptachse zwischen Oszillatorspule und Bedämpfungsstück in Z-Richtung, das ist, wie mehrfach erwähnt, die Hauptausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Oszillatorfeldes. Die Schnittpunkte der paarweisen Signalverläufe liegen erwartungsgemäss gradlinig in Z-Richtung verteilt. Vollständig abgebildet ist der (hier inverse) Verlauf Entdämpfung-Bedämpfung-Entdämpfung des Oszillators B2 beim Durchgang des Bedämpfungsstückes. Damit die Figur nicht überlastet wird, sind die Kurven für den Oszillator Bl nur teilweise dargestellt.

Figur 4 zeigt nun ein experimentell ermitteltes Überlagerungsfeld also das überlagerte Signal der Oszillatoren, Bl, B2 in Abhängigkeit eines Durchlaufs eines Bedämpfungsstückes. Die den Schnittpunkten entsprechenden Signal-Minimas liegen vermutlich ebenso gradlinig in Z-Richtung verteilt, womit, gemäss den vorher ausgeführten Überlegungen, hier dieselben Zusammenhänge zutreffen dürften.

Die Auswertung der Kurve gemäss Figur 4 ist auf mehrfache Weise möglich. Ein bevorzugtes Vorgehen wird nachfolgend besprochen. Wie gesagt, bleibt die inhärente Trägheit des Systems unverändert. Soll nun der Schalter schneller reagieren bzw. mit grösserer Geschwindigkeit angefahren werden können, so wird, bspw. bei einer Annäherung von links her, der Signalverlauf über Bl dazu benützt, die Näherungsgeschwindigkeit zu verringern bzw. um einen Vorstopp einzuleiten. Damit wird der Schalter konditioniert. Der Zielpunkt Xo kann nun mit optimal langsamer Geschwindigkeit angefahren werden. Der Zielpunkt selber wird durch eine Minima-Detektion ermittelt. Diese Art von Detektion ist an sich bekannt. Selbstverständlich ist durch die gegebene symmetrische Ausführung dasselbe auch in der Gegenrichtung möglich. Zu beachten ist, dass die konvexe Krümmung für eine möglichst genaue Detektion des Minimas bspw. durch Schwellwertdetektion ausreicht. Die Ausprägung der Krümmung, nicht aber die Lage auf den X- bzw. Y-Achse, ist eine Funktion des Abstandes von Oszillatorspule und Bedämpfungsteil auf der Z-Achse. Dabei ist in Betracht zu ziehen, dass der Oszillator nicht nur negativ, wie hier stets beschrieben, sondern auch positiv bedämpft werden kann. Im letzteren Fall erreicht man eine Spannungsverstärkung oder Amplitudenerhöhung des Oszillatorsignals bei Verwendung eines Ferrit-Sinterkörpers, in welchem die Ausbildung von energieziehenden Wirbelströmen behindert ist. Die erfinderische Idee liegt in der Verwendung von mehr als einem Oszillator in einem Annähe5

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rungsschalter und in der Herstellung und Auswertung eines Überlagerungsfeldes von mindestens zwei Oszillatoren, die mit demselben Bedämpfungsstück wechselwirken. Damit weist ein solcher Schalter auch mehrere, direkt vom gemeinsamen Bedämpfungsteil beeinflussbaren Schaltpunkte auf.

Figur 5 zeigt in sehr allgemeiner Form ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Präzisionsschalters mit zwei Oszillatoren Bl und B2, deren gemeinsame Auswerteschaltung, ein Vergleicher C und ein nachgeschalteter Verstärker V. Das Ausgangssignal zeigt hier, gemäss der Charakteristik des Kompara-tors an, welcher Oszillator vom Bedämpfungsteil stärker beeinflusst ist. Komparator und nachgeschalteter Verstärker sind nach vorbekannten Schaltschematas realisiert. Figur 6 zeigt die schaltungstechnischen Details einer realisierten Ausführungsform der beiden Oszillatoren Bl und B2, welche hier spiegelsymmetrisch dargestellt sind. Angegeben sind die Schwingkreise Ll/Cl und L2/C2 sowie die Ausgangsklemmen AI und A2. Geeignet sind Oszillatoren vom Typ Hartley oder Colpitts, die vorzugsweise als selektioniertes Paar eingesetzt werden.

Die erfindungsgemässe Anordnung der Oszillatoren, bzw. deren Induktivitäten LI und L2 in engem räumlichem Verbund ist in der diskutierten Ausführungsform skizzenmässig in Figur 7 dargestellt und ist ungefähr folgendermassen dimensioniert. Die Spulen der Oszillatoren Bl und B2 sind in Schalenkernhälf-ten mit einem Durchmesser von 5,8 mm (vom Hersteller) gewickelt. Zwei solche Schalenkerne sind im Abstand B1-B2 von ca. 3 mm so angeordnet, dass die offene Schalenkernseite beider Schalenkerne ungefähr eine Ebene bilden. Das elektromagnetische Feld des Oszillators breitet sich bei beiden Spulen in die gleiche Richtung aus. Der gesamte Durchmesser D des Oszillatorteils B1/B2 des Präzisionsschalters beträgt ungefähr 18 bis 20 mm. In der Regel kann die gesamte Oszillatorschaltung samt dem Komparator, ggf. mit Endverstärker in einem gemeinsamen Gehäuse S untergebracht werden, so dass lediglich ein einfaches Schaltsignal (2 Pegel) von der Sensorstelle weggeführt werden muss. Gemäss Figur 7 ist das Gehäuse S ca. 30 5 mm lang.

Figur 8 zeigt schliesslich noch die Ausführungsform für eine Gabelschranke mit antiparallel gerichteten Oszillatorfeldern. Die im Experiment ermittelte «schaltaktive» Zone nimmt durch die Auffächerung der magnetischen Feldlinien ungefähr die io Form eines Paraboloids an. Solche, den beiden Oszillatoren Bl und B2 zugeordnete Zonen Hl und H2 sind in der Figur eingezeichnet. Der Gabelabstand soll klein gewählt werden, da der Schaltpunkt sich in Z-Richtung nichtlinear verschiebt. In Y-Richtung ist eine Bewegung des Dämpfungsteils unwirksam; die i5 wirksame Richtung ist die X-Richtung, in welcher ein Bedämpfungsteil sich bewegen soll. Die gemeinsame Schaltung kann ebenfalls bequem im Gehäuse S untergebracht werden. Gabelschranken dieser Art mit Oszillatorfeldern von antiparalleler Ausrichtung eignen sich zum berührungslosen Abtasten einer 20 schnellaufenden codierten Scheibe oder analog dazu ein Band mit abwechslungsweise bedämpfenden und nicht bedämpfenden Zonen. Auf diese Weise ist ein Vorstopp möglich, der durch denjenigen Oszillator angezeigt wird, der zuerst bedämpft wird; eignen sich zum Abtasten schnell rotierender Scheiben oder 25 Bänder.

Die sich gegenseitig möglichst nicht beeinflussenden Felder können sowohl in der parallelen sowie antiparallelen Ausführungsform zueinander verschieb- oder verschwenkbar ausgestaltet sein, um die Feldcharakteristik ggf. geometrisch auszuglei-30 chen. Die parallele Ausführungsform, die ausgiebig diskutiert wurde, ermöglicht durch zwei oder mehr Schaltpunkte ebenfalls eine «Konditionierung» des Schalters bei bspw. schnell ablaufenden Prozessen.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Berührungsloser Näherungsschalter mit einem Oszillatorteil, welcher mindestens zwei offene Oszillatoren (Bl, B2) und eine gemeinsame Auswerteschaltung aufweist und mit einem Bedämpfungsteil (A) zusammenwirkt, welcher relativ zum Oszillatorteil bewegbar ist, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Oszillatoren (Bl, B2) derart, dass die von den Oszillatoren emittierten elektromagnetischen Felder im wesentlichen parallel oder antiparallel verlaufen und räumlich so eng zueinander angeordnet sind, dass sich diese Felder in linearer Superposition überlagern, und dass ein einziger Bedämpfungsteil (A) mit mehreren Oszillatoren (Bl, B2) in Wechselwirkung bringbar ist.

2. Näherungschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatoren als L-C-Oszillatoren ausgebildet sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillatorspulen (LI, 12) in Schalenkern-Ferritkörpern angeordnet sind.

4. Näherungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Oszillatoren (Bl, B2) in der Hauptachsenrichtung seines elektromagnetischen Feldes verschiebbar und/oder verschwenkbar angeordnet ist.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Oszillatoren (Bl, B2) maximal dem Durchmesser des Schalenkern-Ferritkörpers eines Oszillators entspricht.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zwei Oszillatoren (Bl, B2) etwa dem halben Durchmesser des Schalenkern-Ferritkör-pers eines Oszillators entspricht.

7. Näherungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Oszillatoren (Bl, B2) in einem gemeinsamen Bauteil (S) angeordnet sind.

8. Näherungsschalter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Aus-werteschaltung für die mindestens zwei Oszillatoren (Bl, B2) einen Komparator (C) aufweist.