CH670538A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Näherungsschalter und betrifft die besondere Ausgestaltung und besonderen Betrieb eines induktiven Näherungsschalters der bekannten Art gemäss Oberbegriff der unabhängigen Vorrichtungs- und Verfahrensansprüche.

Ein induktiver Näherungsschalter der bekannten Art, besteht in der Regel aus einem Oszillatorteil, einem Signalauswerteteil und aus einer (meist kurzschlussfesten) Endstufe. Die Schaltcharakteristik eines solchen Schalters ist eine Funktion des Oszillatorfeldes und zeigt eine ganz bestimmte geometrische Ausbreitung in bezug zur aktiven Fläche des Näherungsschalters. Im einfachsten Fall, bei einer Oszillatorspule in einem Schalenkern, liegen symmetrische Verhältnisse vor, so dass die Parameterschar verschiedener Schaltcharakteristikas aus einer Hüllkurvenschar eines funktionellen Verlaufs besteht. Entsprechend des Annäherungsweges eines Bedämpfungskörpers in den Feldbereich des Oszillators, resultiert eine bestimmte Hüllkurve mit den geometrischen Orten der Schaltabstände.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen induktiven Näherungsschalter so auszugestalten, dass er weiteren neuen Applikationen zugänglich ist.

Dieses Ziel wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren, wird eine Ausführungsform der Erfindung eingehend diskutiert. Es zeigen:

Fig. 1A in stilisierter Darstellung einen Oszillator mit eingezeichnetem Verlauf der geometrischen Orte von Schaltabständen und einem Bedämpfungskörper für seitliche Annäherung;

Fig. 1B in einer anderen Darstellungsart einen Oszillator mit zugeordneten Schaltbereichen und einem Bedämpfungskörper für frontale Annäherung;

Fig. 2 eine typische Schaltfunktion U = f(x) mit einem in stilisierter Darstellung dazugezeichneten Schalter und Bedämpfungskörper (Oszillator-Bedämpfungskörper-Paar) und in

Fig. 3 ein allgemeines schaltungstechnisches Beispiel einer Ausführungsform im Zusammenhang mit der Erfindung;

Fig. 4A bis 4C zeigen verschiedene Schaltfunktionen von 2-

oder 3-Leiterschaltern mit einem oder 4-Leiterschalter mit zwei Ausgängen;

Fig. 5A und 5B zeigen Schaltfunktionen von weiteren Ausführungsformen.

Ein stilisiert dargestellter, nach aussen offener Oszillator A (Fig. 1A und 1B) mit einer aktiven Fläche a sendet ein Wechselfeld aus, das bei frontaler oder seitlicher Annäherung eines Bedämpfungskörpers B (Fig. 1A) an den eingezeichneten Schaltabständen (Punkten) der (symmetrischen) Kurven der Schaltabstände Sl und S2 eine Schaltfunktion auslöst. Bei einer Scha-lenkernausführung beispielsweise sind die Kurven der Schaltabstände SI, S2 als Längsschnitte von Hüllflächen der geometrischen Orte aller möglichen Schaltabstände aufzufassen, bei deren Durchdringung mit einem beispielsweise metallischen Dämpfungskörper eine Schaltfunktion ausgelöst wird. Diese Hüllfläche als geometrischer Ort aller Schaltabstände einer Oszillatorspule, kann, in infinitesimaler Betrachtung, ausser durch die aktive Fläche a hindurch, prinzipiell von jeder Richtung her mit einem Bedämpfungskörper durchdrungen werden. In der Regel werden jedoch nur seitliche und frontale Annäherungen benützt.

Der Oszillator zum Betrieb gemäss Erfindung weist aufgrund einer gleichzeitigen Auswertung der in Figur 2 dargestellten Oszillatorausgangskennlinie in Funktion des Abstands des Bedämpfungsstücks B an einer entfernten, sowie einer nahen Stelle zwei ineinanderliegende Hüllkurven auf, bei deren Durchdringung mit einem Bedämpfungskörper nacheinander je ein Schaltsignal generiert wird. In Figur 1A ist dies durch die Schnittdarstellung der beiden Hüllflächen der Schaltabstände SI, S2 und in Figur 1B durch zwei Schaltbereiche der Schaltabstände SI, S2 mit verschiedener Streubreite (Bereichsbreite) von ungefähr ± 20% für den entfernten Bereich und ungefähr ±5% für den nahen Bereich dargestellt. Die beiden verschiedenen Darstellungen werden auch dazu noch benützt, um die zwei häufigsten Fälle von Näherung eines Bedämpfungskörpers, seitlich und frontal an den Oszillator zu zeigen. In Figur 1A ist die häufigere seitliche Annäherung gezeigt, bei der ein Bedämpfungskörper B, der sich in Pfeilrichtung bewegt, zuerst das Schaltsignal für die Schaltabstände Sl erzeugt und bei weiterem Vorrücken schliesslich auch das Schaltsignal für die Schaltabstände S2. Dasselbe geschieht auch bei frontaler Näherung gemäss Figur 1B, wenn sich der Bedämpfungskörper B in Pfeilrichtung auf dem Weg x dem Oszillator nähert. Streng genommen sind in Figur 1A mit den die Hüllkurve bestimmenden Schalt-Punkten Mittelwerte aus einem Schaltbereich eingezeichnet, welcher Schaltbereich der Schaltabstände Sl ±20% und der Schaltabstände S2 ±5% nebst einem (normalen) Schaltab-stand Sn (Mittelwerte) in Figur 1B dargestellt ist. Auch in diesem Fall wird ein sich frontal dem Oszillator nähernder Bedämpfungskörper nacheinander zwei verwertbare Signale der Schaltabstände SI, S2 erzeugen.

Die Realisierung der 2 Schaltpunkte kann durch gleichzeitige Auswertung des DC-Signals für den Nahbereich sowie des AC-Signal für den entfernten Bereich erreicht werden. Auf diese Art erhält man aus einem üblichen induktiven Näherungsschalter ohne grossen Aufwand einen induktiven Zweipunkt-Näherungsschalter mit räumlich und/oder zeitlich sequentieller Schaltcharakteristik oder anders betrachtet, man erhält einen induktiven Näherungsschalter mit zwei Reichweiten. Solche einem neuen Näherungsschalter steht natürlich ein weiteres Applikationsfeld offen als dem unveränderten Einpunkt-Nähe-rungsschalter von ehedem. Als Beispiel soll bei frontaler (aber auch seitlicher) Annäherung die Vorwarnmöglichkeit genannt werden, wobei das Signal für die Schaltabstände Sl aus dem Bereich mit der grösseren Reichweite dazu verwendet wird, um präliminare Massnahmen vor dem Erreichen des «eigentlichen» Schaltpunkts, welcher die Schaltsignale für die Schaltabstände S2 auslöst, zu treffen. Eine solche Massnahme ist beispielsweise

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die Verringerung der Geschwindigkeit, um den seitlichen Schaltpunkt präziser anzusteuern und dies, da dies erst nahe beim Schalter bzw. dessen aktiven Fläche a, mit nur unwesentlichem Zeitverlust. In dieser Applikationsform verhält sich der neue Näherungsschalter wie ein Präzisionsnäherungsschalter und zwar ein sehr kostengünstiger Präzisionsnäherungsschalter.

Eine Funktionsdarstellung der obengeschilderten Zusammenhänge zeigt Figur 2 in Form einer einem stilisierten Oszilla-tor-Bedämpfungskörper-Paar überlagerten Graphik U = f(x). Auf der Distanzachse (Abszisse) sind drei Distanz-(Schaltspan-nungs-)Bereiche für die Schaltabstände SI, Sn, S2 eingezeichnet, die gemäss der Darstellung nach Figur 1A drei Hüllflächen entsprechen würden. Der Bedämpfungskörper B nähert sich der aktiven Fläche a des Oszillators A und erreicht zuerst den Bereich der Schaltabstände Sl mit der grössten Reichweite, das ist zugleich auch der Bereich mit dem grössten AC-Anteil und der grössten räumlichen Ausdehnung, so ungefähr ±20%. In Richtung Oszillator, nimmt nicht nur, wie in der Funktion gezeigt, der AC-Anteil ab, es verändert sich auch der Verlauf der Funktion, sie geht in einen mehr oder weniger linearen Bereich über. In diesen Bereich wird gemäss strenger Norm im allseitsbekannten Betrieb eines induktiven Näherungsschalters die (Normal-) Schaltfunktion der Schaltabstände Sn gelegt; dieser Bereich weist eine Schalthysterese von ungefähr 5 bis 20% auf und entspricht dem Normalbetrieb des Näherungsschalters. Noch näher zur aktiven Fläche a hin, kommt ein (praktisch) AC freier DC-Bereich der Schaltabstände S2 von ungefähr ±5%. Dieser Sachverhalt ist durch die charakteristische Schaltfunktion mit der in der Regel nicht dargestellten AC-Überlagerung in Figur 2 dargestellt.

Es ist nun vorteilhaft, den Oszillator so auszulegen, dass ein eher flacher Verlauf der Funktion U = f(x) entsteht, so dass die beiden genutzten Bereiche der Schaltabstände Sl und S2 (Sn wird nicht benutzt) bezüglich der Abszisse weit, bis maximal weit auseinanderliegen. Damit wird erreicht, dass der zur Schaltung benützte Nahbereich der Schaltabstände S2 räumlich distant zum Vorwarnbereich der Schaltabstände Sl liegt, wie dies in Figur 1A u.a. darzustellen versucht wird.

In Figur 3 ist ein Beispiel einer Schaltung für den Näherungsschalter gemäss Erfindung in allgemeiner Beschaltung dargestellt. Der Oszillator 30 weist nebst den Speiseleitungen zwei Signalausgänge AI und A2 auf und zwar je einen für den ferneren Bereich der Schaltabstände Sl, der bei Al AC ausgekoppelt ist, und für den nahen Bereich der Schaltabstände S2, der DC ausgekoppelt ist. Beim hier dargestellten LC-Oszillator mit der Induktivität L und der Kapazität C wird eine Spule 32 mit einer Mittelanzapfung 33 verwendet. Eine allgemein dargestellte schwingfähige (Treiber-) Beschaltung 31 kann nach bekannter Art ausgeführt sein. Die beiden Signale der Schaltabstände Sl und S2 an den Ausgängen AI und A2 werden vorteilhafterweise simultan ausgewertet, das heisst, dass ein sich dem Oszillator

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nähernder Bedämpfungskörper von einem «Vorbereich» wahrgenommen wird, bevor er in den eigentlichen Schaltbereich kommt. Die Zeitspanne, die der Bedämpfungskörper braucht, um von einem Bereich in den andern zu kommen, kann beispielsweise benützt werden, um die Geschwindigkeit des Werkoder Maschinenteiles mit dem Bedämpfungskörper in einen Schleichgang herabzusetzen. Ausser diesem Anwendungsbeispiel sind noch weitere nützliche Applikationen denkbar, die erst durch die Erfindung ermöglicht werden.

Mit einem solchen Schalter gemäss Erfindung sind, wie in den Figuren 4A, 4B und 4C gezeigt, verschiedene Betriebsformen möglich. Der induktive Näherungsschalter gemäss Erfindung, der bei Annäherung eines Bedämpfungsstückes in einem ersten Abstand Sl den ersten Schaltpunkt hat und in einem nächsten Abstand S2 einen «exakteren» zweiten Schaltpunkt hat, lässt sich beispielsweise mit folgenden Spezifikationen realisieren:

— Sl ist mindestens 50% grösser als Sn nach CENELEC-Norm,

— S2 ist ca. 50% von Sn,

— Sl hat über einen Temperaturbereich von 25-75°C eine Genauigkeit von ±20%,

— S2 hat über einen Temperaturbereich von 27-75°C eine Genauigkeit von ±5%.

Als 3-Leiterschalter mit 2 Ausgängen, wie in Figur 3 beispielsweise dargestellt, zeigt am Ausgang AI eine Schaltfunktion gemäss Figur 4A und am Ausgang A2 eine Schaltfunktion gemäss Figur 4B. Bezogen auf die Schaltpunkte Sl und S2 erhält man eine Fensterfunktion, wie sie in Figur 4C dargestellt ist. Selbstverständlich sind auch die inversen Funktionen möglich.

Diese Fensterfunktion erlaubt, gemessen an den bekannten induktiven Näherungsschaltern, eine weitere Anzahl Applikationen und ist, wie in den beiden Figuren 5A und 5B gezeigt weiter variierbar. Eine erste Variante (Fig. 5A) ist folgende:

— Der Schaltpunkt S2 wird festgehalten, ist also fix ausgelegt und der Schaltpunkt S1 wird beispielsweise mittels einem Potentiometer über einen gewünschten Bereich verstellbar gehalten. Auf diese Weise erhält man eine variierbare Fensterfunktion für entsprechende Anwendungen.

— Beide Schaltpunkte Sl und S2 werden beispielsweise mittels eines Potentiometer über einen gewünschten Bereich verstellbar gehalten. Auf diese Weise erhält man bei fester Fensterweite eine verschiebbare und bei veränderlicher Fensterweite eine variierbare sowie verstellbare Fensterfunktion für entsprechende Anwendungen.

Die Verstellung ist natürlich nicht zwangsläufig über ein Potentiometer erwirkbar, es sind Ausführungsformen möglich, mit der die Fensterfunktion automatisch verstellt werden kann. Damit lässt sich durch einen Regelvorgang ein Fenster der adäquaten Grösse in einem gewünschten Bereich halten.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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1. Induktiver Näherungsschalter, gekennzeichnet durch einen Oszillator (30) mit einer Oszillatorspule (32) mit Mittel-(33) und Endabgriff (34) und mit Herausführung (Al, A2) des analogen Oszillatorausgangssignals, zur Bereitstellung von Schaltsignalen verschiedener Schaltbereiche (SI, S2).

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalwirkungspfad vom Mittelabgriff (33) eine AC-Auskopplung und der Signalwirkungspfad vom Endabgriff (34) eine DC-Auskopplung aufweist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Näherungsschalter gemäss Patentanspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schaltbereich (Sl) variierbar ist.

4. Näherungsschalter gemäss Patentanspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schaltbereiche (SI, S2) variierbar sind.

5. Verfahren zum Betrieb eines Näherungsschalters gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Kombination der Signale der verschiedenen Schalterausgänge mit den zugehörigen Schaltbereichen (SI, S2) Fensterfunktionen gebildet werden.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Signale der verschiedenen Schalterausgänge mit den zugehörigen Schaltbereichen (SI, S2) variier-und/oder verschiebbare Fensterfunktionen gebildet werden.