CH702140B1 - Induktiver Näherungssensor mit Temperaturkompensation. - Google Patents

Abstract

Es wird ein induktiver Näherungssensor mit Temperaturkompensation offenbart. Die Temperaturkompensation verwendet einen ΣΔ-Modulator (12), um die Temperatur eines Temperatursensors, zum Beispiel den Widerstandswert eines temperaturabhängigen Widerstands (11), abzutasten und zu digitalisieren. Eine erste digitale Filterstufe (13) mit Tiefpasscharakteristik normiert die digitalisierten Werte derart, dass die normierten Werte Adressen einer Nachschlagetabelle (14) bilden. Die Nachschlagetabelle (14) bildet den Temperaturgang des induktiven Näherungssensors ab und liefert eine Folge digitaler Nachschlagewerte an eine zweite Filterstufe (15), die eine Folge von Temperaturkompensationswerten erzeugt, welche von einer Auswerteeinheit zur Temperaturkompensation verwendet werden.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor, der ein Sensorelement, welches einen Schwingkreis und eine damit verbundene Auswerteeinheit umfasst, die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Bedämpfung des Schwingkreises durch ein elektrisch leitfähiges Objekt bereitstellt, und eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist, die einen Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des induktiven Näherungssensors umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Temperaturkompensation eines induktiven Näherungssensors.

[0002] Induktive Näherungssensoren detektieren elektrisch leitfähige Metalle auf Grundlage des Wirbelstromprinzips. Mittels eines elektrischen Schwingkreises mit einer Spule und einem Kondensator (LC-Schwingkreis) wird ein magnetisches Wechselfeld aufgebaut, das über die Spule des Schwingkreises in den Raum gerichtet abgestrahlt wird. Gelangt ein elektrisch leitfähiges Objekt (im Folgenden auch «Target» genannt) in den Wirkungsbereich des Wechselfeldes, werden durch das Wechselfeld im Target Wirbelströme induziert, die wiederum ein Magnetfeld hervorrufen, das dem anregenden Magnetfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Die Erzeugung der Wirbelströme entzieht dem anregenden Magnetfeld Energie und beeinflusst damit die Impedanz der Spule bzw. dämpft den LC-Schwingkreis. Zur Erfassung der Anwesenheit und/oder des Abstandes eines Targets von dem induktiven Näherungssensor wird häufig über eine direkte Messung der Schwingkreisamplitude der Realteil der Spulenimpedanz ermittelt, der ein Mass für die Dämpfung des Schwingkreises darstellt. Bei dem Target kann es sich zum Beispiel um eine Schaltfahne handeln, die über den induktiven Näherungssensor ein Schaltsignal auslösen kann.

[0003] Da das magnetische Feld im Nahbereich mit der dritten Potenz in den Raum hinein abnimmt, wird es mit grösser werdendem Abstand des Targets von der Spule immer schwieriger, das Target mit einer ausreichenden Genauigkeit zu detektieren. Der gemäss IEC60947-5-2/EN60947-5-2 bestimmte Abstand eines genormten Targets von dem induktiven Näherungssensor, bei dem ein sicheres Erkennen des Targets gewährleistet ist, wird als Nennschaltabstand bezeichnet und beträgt in der Regel wenige Millimeter. Zur Erzielung möglichst hoher Schaltabstände, die über den Nennschaltabstand hinausgehen, trägt neben einer möglichst hoch aufgelösten Auslesung des Sensorsignals (die z.B. gemäss DE 10 2007 007 551 A1 durch Verwendung eines ΣΔ-Modulators erreicht werden kann) auch eine hohe Temperaturstabilität bei, da der Realteil der Spulenimpedanz durch die Umgebungstemperatur stark beeinflusst wird. Die Impedanz der Spule des LC-Schwingkreises weist aufgrund ihrer Wicklung aus Kupfer eine erhebliche Temperaturabhängigkeit auf. Dieser Temperaturgang ist bei niedrigen Frequenzen linear und kann mit zunehmender Wirbelstromfrequenz über Skin- und Proximity-Effekte im Verlauf beeinflusst werden. Ferner überlagern sich diesem Temperaturgang noch weitere temperaturabhängige Anteile, die aus den Magnetisierungseigenschaften des Feld formenden oder fokussierenden Ferrits und der Auswerteelektronik, z.B. eines Oszillators, eines Komparators, Schaltschwellen etc., resultieren. Durch die Kombination all dieser Anteile kann der Temperaturgang eines induktiven Näherungssensors hochgradig nichtlinear sein.

[0004] Bei einfachen Nennschaltabständen ist die Änderung des Realteils der Spulenimpedanz durch den Targeteinfluss im Verhältnis noch viel grösser als seine Änderung mit der Temperatur, sodass eine Variation des Schaltabstandes über die Temperatur von +/–10%, was einem üblichen Toleranzband entspricht, teilweise auch ohne Kompensation nicht überschritten wird. Werden die Schaltabstände jedoch grösser, so nimmt der Einfluss des Targets im Verhältnis zur Temperatur überproportional ab, sodass oftmals bereits bei zweifachem Nennschaltabstand eine Temperaturkompensation erforderlich wird. Um Näherungsschalter mit noch höheren Schaltabständen, etwa dem 3- bis 4-fachen Nennschaltabstand, zu realisieren, müssen weitreichende Temperaturkompensationsmassnahmen ergriffen werden.

[0005] Im Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Temperaturkompensation von induktiven Näherungssensoren bekannt. So offenbart die Patentschrift CH 690 950 A5 eine Temperaturstabilisierung für einen LC-Schwingkreis, welche einen Kupfergleichstromwiderstand der Schwingkreisspule ermittelt und auf dessen Grundlage den negativen Widerstand eines Oszillators umgekehrt proportional beeinflusst, sodass das Temperaturverhalten des LC-Schwingkreises samt des Oszillators stabilisiert wird.

[0006] Die Patentschrift DE 10 046 147 C1 offenbart einen Näherungssensor, der eine Temperaturkompensation mit einem zweistufigen Kompensationsverfahren verwendet. Ein erstes Einstellelement beeinflusst die Schaltschwelle eines Komparators, während ein weiteres Einstellelement die Amplitude eines Oszillators beeinflusst. Dabei besteht das Einstellelement des Oszillators aus drei gewichtbaren Stromquellen, deren Strom jeweils von der Temperatur abhängt und unterschiedliche Temperaturverläufe aufweist.

[0007] Die aus dem Stand der Technik bekannten Temperaturkompensierungen sind entweder relativ unflexibel, oder aber sehr aufwändig in der Realisierung.

[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen induktiven Näherungssensor mit einer Temperaturkompensation, die einerseits hohe Genauigkeit und grosse Flexibilität gewährleistet und andererseits mit geringem Hardwareaufwand zu realisieren ist, und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen.

[0009] Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

[0010] Der erfindungsgemässe induktive Näherungssensor verwendet eine Temperaturkompensationsschaltung mit einem ΣΔ-Modulator zur Abtastung eines Temperatursignals, das von einem Temperatursensor stammt, welcher die Temperatur des induktiven Näherungssensors erfasst. Der ΣΔ-Modulator liefert eine erste Folge digitaler Werte an eine erste digitale Filterstufe mit Tiefpasscharakteristik. Die erste digitale Filterstufe liefert eine zweite Folge digitaler Werte an eine Nachschlagetabelle, welche daraus eine Folge digitaler Nachschlagewerte erzeugt. Die Folge digitaler Nachschlagewerte wird von einer zweiten Filterstufe mit Tiefpasscharakteristik empfangen, die eine Folge von Temperaturkompensationswerten erzeugt, wobei die zweite Filterstufe vorzugsweise digital ausgestaltet ist und stärker filtert als die erste digitale Filterstufe. Die zweite Filterstufe 15 umfasst dazu zum Beispiel einen Filter höherer Ordnung als die erste Filterstufe. Eine Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors empfängt die Folge von Temperaturkompensationswerten und führt basierend darauf eine Temperaturkompensation eines Ausgangssignals des induktiven Näherungssensors aus.

[0011] Dieser Aufbau ermöglicht eine hochgenaue und flexible Temperaturkompensation, ohne dass dazu komplexe und kostspielige Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren (DSP) oder ähnliche elektronische Bauteile verwendet werden müssen. Die hohe Genauigkeit wird durch die an sich bekannte Rauschformung des ΣΔ-Modulators möglich, durch welche das Quantisierungsrauschen zu höheren Frequenzen hin verschoben wird, wodurch das relativ niederfrequente Nutzsignal mit hohem Signal-Rauschabstand erfasst werden kann.

[0012] Die Flexibilität der Temperaturkompensation wird durch die Verwendung einer Nachschlagetabelle ermöglicht, in der ein beliebiger Temperaturgang des induktiven Näherungssensors hinterlegt werden kann. Dabei kann der jeweilige Temperaturgang für den jeweils verwendeten induktiven Näherungssensor individuell erfasst und abgespeichert werden.

[0013] Die Verwendung eines digitalen Kennlinienspeichers statt toleranzbehafteter und temperaturabhängiger analoger Komponenten erhöht zudem die Genauigkeit der Temperaturkompensation.

[0014] Ein wesentliches Element der Erfindung besteht darin, die Tiefpassfilterung eines ΣΔ-modulierten binären Signals auf zwei Filterstufen zu verteilen und die Nachschlagetabelle zwischen diesen geeignet anzuordnen. Durch eine entsprechende Auslegung der ersten digitalen Filterstufe wird die von ihr erzeugte zweite Folge digitaler Werte so normiert, dass die Werte der zweiten Folge digitaler Werte direkt als Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle verwendet werden können. Die zweite Folge digitaler Werte wird bei der Verwendung eines ΣΔ-Modulators erster Ordnung in der Regel zwischen zwei Stützstellen hin- und herspringen. Die Art der Interpolation, beispielsweise linear, quadratisch oder kubisch, hängt dabei von der Ordnung des ΣΔ-Modulators (ΣΔ-Modulator erster, zweiter oder dritter Ordnung) ab. Die dem ΣΔ-Modulator innewohnende Interpolationseigenschaft wird also zur Interpolation zwischen Stützstellen ohne einen Mikroprozessor genutzt. Da in der Regel bereits wenige Stützstellen genügen, ist der Speicherbedarf der Nachschlagetabelle minimal.

[0015] Die Mittelwertbildung zwischen den von der Nachschlagetabelle erzeugten digitalen Nachschlagewerten erfolgt dann in der zweiten Filterstufe. Die beiden Filterstufen können ohne Verwendung eines Mikroprozessors realisiert werden, bei einer Ausführungsform beispielsweise als Summiererelemente, wodurch eine kostengünstige Temperaturkompensation ermöglicht wird. Jedoch können auch komplexere Filter, beispielsweise FIR-Filter, implementiert werden.

[0016] Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein sogenannter Dezimator zwischen die zweite Filterstufe und die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors gekoppelt. Dieser Dezimator ist in für ΣΔ-Modulatoren an sich bekannter Weise ausgestaltet, um die durch die Überabtastung des ΣΔ-Modulators erzeugten redundanten Werte, die keine zusätzliche Information beinhalten, aus der Folge von Temperaturkompensationswerten herauszufiltern.

[0017] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die von der ersten digitalen Filterstufe erzeugte zweite Folge digitaler Werte nur Werte, die Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle entsprechen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass alle von dem ΣΔ-Modulator und der ersten Filterstufe erzeugten Werte von der Nachschlagetabelle verarbeitet werden können.

[0018] Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein ΣΔ-Modulator höherer Ordnung M verwendet, um dadurch eine stetigere Interpolation, z.B. eine quadratische oder kubische Interpolation, zwischen den Stützwerten der Nachschlagetabelle zu erreichen.

[0019] Der induktive Näherungssensor umfasst bei einer Ausführungsform einen Temperatursensor, der aus einem temperaturabhängigen Widerstand besteht. Dies ermöglicht eine einfache, kostengünstige und genaue Erfassung der Temperatur des induktiven Näherungssensors.

[0020] Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet den Gleichstromwiderstand einer Spule des LC-Schwingkreises des Näherungssensors direkt als den temperaturabhängigen Widerstand des Temperatursensors. Da bei dieser Ausführungsform kein separates Bauteil zur Temperaturerfassung verwendet wird, entfallen damit mögliche Temperaturübergangsprobleme zwischen dem induktiven Näherungssensor und einem separaten Temperaturerfassungsbauteil.

[0021] Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer, der die Folge von Temperaturkompensationswerten in einen temperaturabhängigen Strom umsetzt. Dieser Strom wird durch ein Nachführen einer Oszillatorspannung des Schwingkreises des Näherungssensors zur Temperaturkompensation verwendet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache analoge Temperaturkompensation.

[0022] Bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer, der die Folge von Temperaturkompensationswerten in eine temperaturabhängige Spannung umsetzt, die zur Temperaturkompensation durch ein Nachführen einer Schaltschwelle eines Komparators verwendet wird. Dieser Aufbau ermöglicht eine analoge Temperaturkompensation des induktiven Näherungssensors auf einfache Weise.

[0023] Die zweite Filterstufe kann dann auch nach dem Digital-Analog-Umsetzer angeordnet und analog ausgeführt sein.

[0024] Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors einen Analog-Digital-Umsetzer, der eine Oszillatorspannung des Schwingkreises des Näherungssensors in digitalisierte Amplitudeninformationen umsetzt. Bei dieser Ausführungsform ist die zweite Filterstufe digital ausgestaltet und liefert eine digitale Folge von Temperaturkompensationswerten. Diese Ausführungsform umfasst ferner, dass die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors zum direkten Verrechnen der Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet ist. Durch die digitale Verarbeitung der Signale kann die Auswerteeinheit sehr einfach ausgestaltet sein, beispielsweise kann ein einfacher Summierer ausreichend sein.

[0025] Eine weitere bevorzugte Ausführungsform verwendet einen zweiten ΣΔ-Modulator, wobei der zweite ΣΔ-Modulator zur Erzeugung digitalisierter Amplitudeninformationen des Schwingkreises ausgestaltet ist. Ferner verwendet diese Ausführungsform bei der Temperaturkompensation eine digitale zweite Filterstufe, die eine digitale Folge von Temperaturkompensationswerten liefert. Die Auswerteeinheit ist dabei zum direkten Verrechnen der digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Auswerteeinheit sehr einfach ausgestaltet sein, beispielsweise als Summierer. Durch den Wegfall analoger Bauteile kann diese Ausführungsform besonders einfach durch einen integrierten Schaltkreis realisiert werden.

[0026] Bei einer weiteren bevorzugten und davon ausgehenden Ausführungsform ist der Schwingkreis des Näherungssensors in dem Rückkopplungszweig des zweiten ΣΔ-Modulators angeordnet, wodurch neben einer hohen Auflösung der Oszillatorspannung auch eine grosse Dynamik des induktiven Näherungssensors ermöglicht wird.

[0027] Die Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens und besonders bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich in analoger Weise aus den obigen Schilderungen zu entsprechenden Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung und deren Vorteile.

[0028] Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die beiliegenden schematischen Figuren im Detail erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1a und b den schematischen Aufbau zur Temperaturkompensation eines induktiven Näherungssensors gemäss der vorliegenden Erfindung (Fig. 1a ) sowie die Funktionsweise einer dabei verwendeten Nachschlagetabelle (Fig. 1b ); Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher die Temperaturkompensation über einen Referenzstrom des Oszillators der Auswerteeinheit erfolgt; Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher die Temperaturkompensation über eine Änderung der Komparatorreferenzspannung erfolgt; Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher der Ausgang des Oszillators der Auswerteeinheit über einen Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und dann mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital verrechnet wird; und Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher der Ausgang des Oszillators der Auswerteeinheit von einem ΣΔ-Modulator digitalisiert und anschliessend mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital verrechnet wird.

[0029] Fig. 1a zeigt ein Blockschaltbild 10, welches das Prinzip der erfindungsgemässen Temperaturkompensation darstellt. Ein temperaturabhängiger Widerstand 11, der entweder ein separates Bauteil sein kann oder aber durch den Kupfergleichstromwiderstand der Spule des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors gebildet wird, liefert ein analoges, von der Temperatur und insofern von der Zeit t abhängiges Ausgangssignal an einen ΣΔ-Modulator 12.

[0030] Allgemein erzeugt ein ΣΔ-Modulator in an sich bekannter Weise ein pulshäufigkeitsmoduliertes digitales Signal, dessen Mittelwert ein sehr genaues Mass für das analoge Eingangssignal des ΣΔ-Modulators darstellt. Durch die hohe Überabtastung wird ein Quantisierungsrauschen in einen hohen Frequenzbereich verlagert und kann anschliessend leicht ausgefiltert werden, sodass ein relativ niederfrequentes Nutzsignal mit hoher Auflösung bereitgestellt werden kann.

[0031] Der ΣΔ-Modulator 12 kann ein Modulator erster oder höherer Ordnung sein, wobei sich die Ordnung M des ΣΔ-Modulators auf den Verlauf einer Interpolationskurve zwischen Stützwerten einer Nachschlagetabelle auswirkt, wie nachstehend beschrieben wird. Der ΣΔ-Modulator 12 arbeitet mit einer Überabtastfrequenz fc, die beispielsweise 200 kHz betragen kann. In diesem Beispiel ergibt sich diese Überabtastfrequenz aus einer maximalen Signalbandbreite fbdes Nutzsignals von z.B. 100 Hz und einer hohen Überabtastrate OSR (Over-Sampling Rate) von 1024 nach der Beziehung fc=2*fb*OSR. Dabei ist fbeine für die Änderung der Umgebungstemperatur charakteristische Frequenz. In der Praxis wird die Überabtastrate aufgrund der leichten technischen Realisierbarkeit häufig, wie auch beim oben angeführten Beispiel, als ein Vielfaches von Zwei implementiert.

[0032] Neben der Berücksichtigung der Signalbandbreite fbdes Nutzsignals kann es bei der Auslegung des ΣΔ-Modulators vorteilhaft sein, die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors einzubeziehen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einer Digitalisierung der Oszillatorausgangsspannung des LC-Schwingkreises des Näherungssensors und einer anschliessenden digitalen Verrechnung mit einer Folge von Temperaturkompensationswerten mit aufeinander abgestimmten Abtastfrequenzen gearbeitet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass kein separater Takt für den ΣΔ-Modulator notwendig ist.

[0033] In an sich bekannter Weise besteht die Ausgabe des ΣΔ-Modulators 12 aus einer digitalen Folge aus Nullen und Einsen. Diese digitale Folge aus Nullen und Einsen, die im Rahmen dieser Beschreibung als «erste Folge digitaler Werte» bezeichnet wird, stellt im Mittelwert eine sehr genaue Messung des Widerstandswerts des temperaturabhängigen Widerstands und damit der zu messenden Temperatur dar.

[0034] Eine erste digitale Filterstufe 13, die eine Tiefpasscharakteristik aufweist, wobei die Ordnung der ersten Filterstufe vorteilhafterweise der Ordnung M des ΣΔ-Modulators entsprechen sollte, empfängt die erste Folge digitaler Werte. Die erste digitale Filterstufe 13 ist vorzugsweise sehr einfach aufgebaut und besteht bei einer Ausführungsform aus einem Summierer, der mehrere Werte aufsummiert, zum Beispiel fünf oder zehn Werte, und diese gegebenenfalls so normiert, dass die Ausgabewerte der ersten digitalen Filterstufe, welche hier als zweite Folge digitaler Werte bezeichnet werden, mit Adressen der Nachschlagetabelle 14 (LUT, Look-Up Table) übereinstimmen. Die Tiefpasswirkung der ersten digitalen Filterstufe 13 ist hierbei bewusst relativ schwach ausgeprägt, um zu erreichen, dass die als zweite Folge digitaler Werte bezeichneten resultierenden Ausgabewerte der ersten digitalen Filterstufe 13 noch nicht auf einen Zwischenwert konvergieren, sondern stattdessen zwischen zwei oder mehreren diskreten Werten «hin- und herspringen», wobei die Anzahl dieser diskreten Werte von der verwendeten Ordnung M des ΣΔ-Modulators abhängt.

[0035] Bei dem in Fig. 1a und 1b dargestellten Beispiel wird eine Temperatur von 12,5 °C durch den ΣΔ-Modulator 12 in eine Folge aus Nullen und Einsen als der ersten Folge digitaler Werte umgesetzt und durch die erste digitale Filterstufe 13 in eine Folge aus Einsen und Zweien umgesetzt, welche die zweite Folge digitaler Werte darstellen und schematisch in dem Pfeil 130 im unteren Teil von Fig. 1a dargestellt ist. Selbstverständlich kann die zweite Folge digitaler Werte auch andere Werte umfassen, etwa Zweien und Dreien, wenn die von dem ΣΔ-Modulator 12 erfasste Temperatur des Temperatursensors in einem entsprechenden Bereich, in diesem Fall von 25 °C bis 50 °C, liegt.

[0036] Jeder der Werte der zweiten Folge digitaler Werte entspricht dabei einer Adresse der Nachschlagetabelle 14, sodass die Nachschlagetabelle 14, wie es in Fig. 1b dargestellt ist und weiter unten näher erläutert werden wird, eine entsprechende Folge digitaler Nachschlagewerte ausgibt, die an den Adressen oder Stützstellen der Nachschlagetabelle 14 hinterlegt sind. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ( = 12,5 °C) springt das Eingangssignal bzw. die zweite Folge digitaler Werte zwischen den Werten 1 und 2 hin und her. Die Nachschlagetabelle 14 gibt dementsprechend die an diesen Adressen hinterlegten Stützwerte y1bzw. y2aus, d.h., hier die Zahlenwerte 50 bzw. 40.

[0037] Bei dem gezeigten Beispiel liegt die tatsächliche Temperatur bei 12,5 °C, also genau zwischen zwei als Stützstellen verwendeten Temperaturen 0 °C und 25 °C. Die zweite Folge digitaler Werte nach der ersten Filterstufe 13 springt bei Verwendung eines ΣΔ-Modulators erster Ordnung daher mit etwa gleicher Wahrscheinlichkeit zwischen 1 und 2 hin und her (wie es schematisch in Pfeil 130 angedeutet ist). Es ergibt sich ein Mittelwert von 1,5. Nach der zweiten Filterstufe ergibt sich dann ein Mittelwert von 45 (wie es schematisch an der vertikalen Achse der Fig. 1b angedeutet ist).

[0038] Eine Temperatur von z.B. 25 °C entspräche direkt der Stützstelle = 2, sodass die Nachschlagetabelle 14 direkt den Wert 40 ausgäbe.

[0039] Die Folge digitaler Nachschlagewerte, die von der Nachschlagetabelle 14 ausgegeben wird, wird anschliessend von der zweiten Filterstufe 15, die wiederum Tiefpasscharakteristik aufweist, empfangen. In Fig. 1a ist die zweite Filterstufe 15 als digitales Filter mit einer Abtastfrequenz fcdargestellt. Bei einigen Ausführungsformen, die nachstehend beschrieben sind, kann die zweite Filterstufe 15 jedoch auch analog ausgeführt sein. Die von der zweiten Filterstufe 15 durchgeführte Filterung der Folge digitaler Nachschlagewerte ist wesentlich stärker als die von der ersten digitalen Filterstufe 13 ausgeführte Filterung und führt zu einer Mittelwertbildung der empfangenen digitalen Nachschlagewerte. Wenn bei der ersten digitalen Filterstufe 13 zur Filterung z.B. 10 Werte aufsummiert werden, dann kann die zweite Filterstufe 15 z.B. 200 Werte aufsummieren.

[0040] Die von der zweiten Filterstufe 15 erzeugte Folge von Temperaturkompensationswerten wird bei der Ausführungsform der Fig. 1a durch einen Dezimator 16 mit einer Abschneidefrequenz 2fbgeleitet, um die durch die starke Überabtastung des ΣΔ-Modulators 12 erzeugten hochfrequenten Anteile, die keine weitere Information enthalten, zu beseitigen. Es entsteht das gefilterte Signal yk[m], wobei m die Wortbreite bezeichnet.

[0041] Fig. 1b zeigt auf schematische Weise eine Temperaturcharakteristik eines beispielhaften induktiven Näherungssensors, welche für fünf Stützstellen 0 bis 4 für fünf Stützwerte y0–y4in einer Nachschlagetabelle abgelegt ist.

[0042] Wie die untere Skala zeigt, werden Stützstellen im Abstand von 25 °C bei –25 °C beginnend bis zu +75 °C verwendet. Es können jedoch auch mehr oder weniger Stützstellen und andere Abstände zwischen den Stützstellen verwendet werden. Die Skala am oberen Rand des Diagramms von Fig. 1b zeigt die Nummern 0 bis 4 der Stützstellen an, die den Temperaturen am unteren Rand des Diagramms von Fig. 1b entsprechen. Diese Zuordnung der Stützstellen zu den Temperaturwerten ist eine wesentliche Funktion der ersten digitalen Filterstufe 13. Die Kombination aus dem ΣΔ-Modulator 12 und der ersten digitalen Filterstufe 13 bildet somit einen Interpolator mit η Bit, wobei η die Anzahl der Stützstellen darstellt, die durch die erste digitale Filterstufe 13 bereitgestellt werden.

[0043] Das Diagramm in Fig. 1b zeigt zudem, wie sich die Ordnung des ΣΔ-Modulators 12 auf die Interpolation zwischen den Stützwerten auswirkt. Ein ΣΔ-Modulator erster Ordnung führt zu einer linearen Interpolation zwischen den Stützwerten (gestrichelte Linie), während beispielsweise ein ΣΔ-Modulator dritter Ordnung zu einem stetigeren Verlauf der Interpolationskurve führt (durchgezogene Linie).

[0044] Fig. 1a und 1b verdeutlichen insofern die erfindungsgemässe Lösung für die Temperaturkompensation, die die Tiefpassfilterung bei einem ΣΔ-Modulator auf zwei getrennte Filterstufen 13, 15 aufteilt und zwischen die zwei Filterstufen eine Nachschlagetabelle 14 einfügt, um dadurch ohne Verwendung eines Mikroprozessors eine Interpolation auszuführen und dabei den ΣΔ-Modulator als Interpolator zu verwenden. Die erfinderische Lösung führt einerseits zu einer grossen Flexibilität bei der Temperaturkompensation, da durch eine Nachschlagetabelle ohne weiteres ein beliebig komplexer Temperaturgang eines induktiven Näherungssensors abgebildet werden kann, und andererseits zu einer kostengünstigen Realisierung der Temperaturkompensation, da auf Mikroprozessoren, DSPs und ähnliche elektronische Bauelemente verzichtet werden kann.

[0045] In Fig. 2 – 5 sind vier bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors mit der beschriebenen Temperaturkompensation dargestellt, wobei die in Fig. 1 erörterte erfindungsgemässe Temperaturkompensation 10 auf verschiedene Weisen in den induktiven Näherungssensor integriert ist. In Fig. 2 und 3 wird die Folge von Temperaturkompensationswerten über einen Digital-Analog-Umsetzer 20, 20 ́ in analoge Werte umgesetzt, der zusammen mit einer Oszillatorschaltung 21, einem Komparator 22 und einer Ausgangsstufe 23 die Auswerteeinheit des induktiven Näherungssensors bildet. In Fig. 4 und 5 hingegen wird die Oszillatorspannung digitalisiert und zusammen mit der Folge von Temperaturkompensationswerten digital ausgewertet.

[0046] In Fig. 2 setzt ein Digital-Analog-Umsetzer 20 die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten in einen temperaturabhängigen Referenzstrom um, welcher einer Oszillatorschaltung 21 des induktiven Näherungssensors zugeführt wird. Unter einer Oszillatorschaltung bzw. einem Oszillator wird im Rahmen dieser Anmeldung eine an sich bekannte Schaltung zur Anfachung und/oder Aufrechterhaltung einer Schwingung in dem zugehörigen LC-Schwingkreis des induktiven Näherungssensors verstanden, beispielsweise ein Verstärker mit Rückkopplung. Der LC-Schwingkreis des induktiven Näherungssensors umfasst hier eine Spule 25 und einen Kondensator 26.

[0047] Durch den temperaturabhängigen Referenzstrom kann ein Ausgangssignal der Oszillatorschaltung 21 beeinflusst werden, welches eine Spannung darstellt, die in an sich bekannter Weise von der Amplitude der Schwingung des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors abhängt. Ein Komparator 22, der das Ausgangssignal des Oszillators 21 empfängt, schaltet seinen Ausgang in Abhängigkeit von einer Referenz- oder Schaltschwellenspannung Uref und dem Wert des Ausgangssignals des Oszillators. Dieses Schalten des Ausgangs teilt einer Ausgangsstufe 23 das Vorhandensein eines Targets 24 mit, das in an sich bekannter Weise den LC-Schwingkreis bedämpft. Bei dieser ersten Ausführungsform wirkt die erfindungsgemässe Temperaturkompensation also direkt auf die Amplitude der Ausgangsspannung des Oszillators 21 ein.

[0048] Bei der Ausführungsform der Fig. 3 wird die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten über einen Digital-Analog-Umsetzer 20 ́ in Spannungswerte umgesetzt, welche die temperaturabhängige Referenz- oder Schaltschwellenspannung Uref des Komparators 22 bilden. Somit beeinflusst die erfindungsgemässe Temperaturkompensation bei der zweiten Ausführungsform die Schaltschwelle des Komparators 22. Bei dieser Ausführungsform wird das Vorhandensein des Targets 24, das in für induktive Näherungssensoren bekannter Weise die Amplitude der Spannung des LC-Schwingkreises und des zugehörigen Oszillators 21 beeinflusst, an eine Ausgangsstufe 23 gemeldet, wenn das Ausgangssignal des Oszillators 21 die temperaturabhängige Referenzspannung Uref über- bzw. unterschreitet.

[0049] In Fig. 4 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors dargestellt, bei der keine Umsetzung der digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten in analoge Werte erfolgt. Stattdessen wird eine Ausgangsspannung des Oszillators 21 von einem Analog-Digital-Umsetzer 27 in digitale Werte umgesetzt, die zusammen mit der von der Temperaturkompensationsschaltung 10 gelieferten digitalen Folge von Temperaturkompensationswerten in einer digitalen Verrechnungseinheit 28 verarbeitet werden. Die digitale Verrechnungseinheit 28 kann dabei relativ einfach aufgebaut sein und beispielsweise nur einen Summierer umfassen. Wenn das Ergebnis der digitalen Verrechnung einen Schwellenwert überschreitet, meldet eine Ausgangsstufe 23 ́ das Vorhandensein eines Targets 24. Die Auswerteeinheit umfasst bei dieser Ausführungsform die digitale Verrechnungseinheit 28 und die Ausgangsstufe 23 ́. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der relativ geringen Störanfälligkeit aufgrund der frühen Überführung der Signale in den digitalen Bereich.

[0050] Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemässen induktiven Näherungssensors, bei welcher ein Oszillator 21 ́ in den Rückkopplungskreis eines zweiten ΣΔ-Modulators 29 integriert ist, wie er zur Auswertung des Oszillatorsignals des LC-Schwingkreises des induktiven Näherungssensors in der Patentanmeldung DE 10 2007 007 551 A1 beschrieben ist. Bei dieser vierten Ausführungsform wird der erste ΣΔ-Modulator 12 zur Temperaturabtastung verwendet, während der zweite ΣΔ-Modulator 29 zur hochgenauen Messung der Amplitude des Oszillators 21 ́ verwendet wird. Die digitale Folge von Temperaturkompensationswerten und die von dem zweiten ΣΔ-Modulator 29 erzeugte Folge digitaler Werte werden der digitalen Verrechnungseinheit 28 zugeführt, welche beispielsweise beide Werte voneinander subtrahieren kann, um der Ausgangsstufe 23 ́ anzuzeigen, dass das Target 24 den LC-Schwingkreis aus der Spule 25 und dem Kondensator 26 bedämpft hat, wenn die Differenz einen Schwellenwert überschreitet. Die Auswerteeinheit umfasst bei dieser Ausführungsform die digitale Verrechnungseinheit 28 und die Ausgangsstufe 23 ́.

[0051] Bei den Ausführungsformen von Fig. 2 – 5 ist jeweils ein separater, von der Temperatur abhängiger Widerstand 11 dargestellt. Dieser Temperaturwiderstand 11 kann zwar ein separates Bauteil sein, kann aber vorteilhafterweise auch durch den Gleichstromwiderstand der Spule 25 gebildet sein. Bei dieser Verwendung des Spulenwiderstands kann zur Messung desselben ein differenzieller LC-Oszillator mit Gleichstromeinspeisung verwendet werden. Des Weiteren kann eine SC-Schaltung («Switched-Capacitor»-Schaltung) mit Synchronabtastung eingesetzt werden, um den Gleichstromanteil, d.h. das Temperatursignal, von der Oszillatorschwingung zu trennen.

[0052] Die SC-Schaltung kann in hier nicht dargestellter Weise mit einem Komparator und einer Referenzspannungs-Rückkopplung kombiniert werden, um dadurch einen ΣΔ-Modulator erster Ordnung auszubilden, der wie oben beschrieben zu einer hochgenauen Abtastung des Temperaturwerts eingesetzt wird.

[0053] Für den Fall, dass der gesamte induktive Näherungssensor oder Teile desselben in einer integrierten Schaltung zusammengefasst sind, kann der Temperatursensor entweder in die integrierte Schaltung integriert sein oder separat davon angeordnet sein.

[0054] Während die zweite Filterstufe in den Ausführungsformen von Fig. 4 und 5 digital sein muss, kann sie in den Ausführungsformen von Fig. 2 und 3 auch analog sein, wobei in diesem Fall der Digital-Analog-Umsetzer 20 bzw. 20 ́ vor der zweiten Filterstufe angeordnet ist.

[0055] Bei der Ausführungsform der Fig. 2 beispielsweise ist es zudem möglich, das Bandpassverhalten des Oszillators 21 zu nutzen, um das Tiefpassverhalten der zweiten Filterstufe nachzubilden. In diesem Fall kann sowohl die zweite Filterstufe als auch der Digital-Analog-Umsetzer 20 entfallen.

[0056] Um die Genauigkeit der Temperaturkompensation noch weiter zu erhöhen, wird bei einer weiteren Ausführungsform ein zusätzlicher digitaler ΣΔ-Modulator direkt nach der Nachschlagetabelle angeordnet.

[0057] Der für die erfindungsgemässe Temperaturkompensation eingesetzte ΣΔ-Modulator 12 kann sowohl zeitkontinuierlich als auch zeitdiskret ausgestaltet sein.

Bezugszeichenliste

[0058]

Claims (13)

1. Induktiver Näherungssensor zur Feststellung der Anwesenheit und/oder des Abstands eines elektrisch leitfähigen Objekts (24), mit – einem Schwingkreis und einer mit diesem verbundenen Auswerteeinheit (20, 21, 22, 23; 20 ́, 21, 22, 23; 21, 27, 28, 23 ́; 21 ́, 29, 28, 23 ́), die ein Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Bedämpfung des Schwingkreises durch das elektrisch leitfähige Objekt (24) bereitstellt, und – einer Temperaturkompensationsschaltung (10), die einen Temperatursensor (11) zur Erfassung der Temperatur des induktiven Näherungssensors und zur Erzeugung eines Temperatursignals umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkompensationsschaltung (10) folgendes umfasst: – einen ΣΔ-Modulator (12) zur Abtastung des Temperatursignals und zur Bereitstellung einer ersten Folge digitaler Werte; – eine erste digitale Filterstufe (13) mit Tiefpasscharakteristik zum Empfang der ersten Folge digitaler Werte und zur Erzeugung einer zweiten Folge digitaler Werte ( ); – eine Nachschlagetabelle (14) zum Empfang der zweiten Folge digitaler Werte und zur Erzeugung einer Folge digitaler Nachschlagewerte; und – eine zweite, vorzugsweise digitale, Filterstufe (15) mit Tiefpasscharakteristik zum Empfang der Folge digitaler Nachschlagewerte und zur Erzeugung einer Folge von Temperaturkompensationswerten, wobei die zweite Filterstufe (15) stärker filtert als die erste digitale Filterstufe (13); wobei die Auswerteeinheit (20, 21, 22, 23; 20 ́, 21, 22, 23; 21, 27, 28, 23 ́; 21 ́, 29, 28, 23 ́) zum Empfangen der Folge von Temperaturkompensationswerten (yk[m]) und zum Durchführen einer Temperaturkompensation des Ausgangssignals auf der Grundlage der empfangenen Folge von Temperaturkompensationswerten ausgestaltet ist.

2. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen die zweite Filterstufe (15) und die Auswerteeinheit (20, 21, 22, 23; 20 ́, 21, 22, 23; 21, 27, 28, 23 ́; 21 ́, 29, 28, 23 ́) gekoppelten Dezimator (16).

3. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der ersten digitalen Filterstufe (13) erzeugte zweite Folge digitaler Werte ( ) nur Werte umfasst, die Adressen der Nachschlagetabelle (14) entsprechen.

4. Induktiver Näherungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ΣΔ-Modulator (12) einen ΣΔ-Modulator mit einer Ordnung (M) höher als eins umfasst.

5. Induktiver Näherungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (11) einen temperaturabhängigen Widerstand umfasst.

6. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis des induktiven Näherungssensors einen LC-Schwingkreis mit einer Spule (25) und einem Kondensator (26) umfasst, wobei der Gleichstromwiderstand der Spule (25) den temperaturabhängigen Widerstand des Temperatursensors (11) darstellt.

7. Induktiver Näherungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20, 21, 22, 23) des Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer (20) zur Umsetzung der Folge von Temperaturkompensationswerten (yk[m]) in einen temperaturabhängigen Strom umfasst, der zur Temperaturkompensation durch ein Nachführen einer Oszillatorspannung des Schwingkreises verwendet wird.

8. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (20 ́, 21, 22, 23) des Näherungssensors einen Digital-Analog-Umsetzer (20 ́) zur Umsetzung der Folge von Temperaturkompensationswerten (yk[m]) in eine temperaturabhängige Spannung umfasst, die zur Temperaturkompensation durch ein Nachführen einer Schaltschwelle eines Komparators (22) verwendet wird.

9. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Filterstufe (15) nach dem Digital-Analog-Umsetzer (20, 20 ́) angeordnet und analog ausgeführt ist.

10. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21, 27, 28, 23 ́) des Näherungssensors einen Analog-Digital-Umsetzer (27) zur Umsetzung einer Oszillatorspannung des Schwingkreises des induktiven Näherungssensors in digitalisierte Amplitudeninformationen umfasst; die zweite Filterstufe zur Bereitstellung einer Folge von Temperaturkompensationswerten ausgestaltet ist, die aus digitalen Werten besteht; und die Auswerteeinheit zum direkten Verrechnen der Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet ist.

11. Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (21 ́, 29, 28, 23 ́) des Näherungssensors einen zweiten ΣΔ-Modulator (29) umfasst, wobei der zweite ΣΔ-Modulator (29) zur Erzeugung digitalisierter Amplitudeninformationen des Schwingkreises ausgestaltet ist; die zweite Filterstufe zur Bereitstellung einer Folge von Temperaturkompensationswerten ausgestaltet ist, die aus digitalen Werten besteht; und die Auswerteeinheit zum direkten Verrechnen der Folge von Temperaturkompensationswerten mit den digitalisierten Amplitudeninformationen ausgestaltet ist.

12. Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreis des induktiven Näherungssensors in dem Rückkopplungszweig des zweiten ΣΔ-Modulators (29) angeordnet ist.

13. Verfahren zur Temperaturkompensation eines induktiven Näherungssensors, das umfasst, dass: ein Ausgabesignal ( ) eines Temperatursensors (11), das von einer von dem Temperatursensor erfassten Temperatur abhängig ist, abgetastet und daraus eine erste Folge digitaler Werte erzeugt wird; durch einen ersten Tiefpassfiltervorgang aus der ersten Folge digitaler Werte eine zweite Folge digitaler Werte ( ) erzeugt wird; durch einen Nachschlagevorgang aus der zweiten Folge digitaler Werte ( ) eine Folge digitaler Nachschlagewerte erzeugt wird; durch einen zweiten Tiefpassfiltervorgang mit einem Filter (15) höherer Ordnung aus der Folge digitaler Nachschlagewerte eine Folge von Temperaturkompensationswerten erzeugt wird; und eine Temperaturkompensation eines Ausgangssignals des induktiven Näherungssensors anhand der Folge von Temperaturkompensationswerten ausgeführt wird.