DE10039619A1 - Induktiver Näherungssensor mit Schwingkreis - Google Patents

Induktiver Näherungssensor mit Schwingkreis

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Abstract

Der Sensor (1) enthält eine erste Wicklung (11) und eine zweite Wicklung (12), welche elektromagnetisch mit der ersten Wicklung verbunden und auf einer Seite des Ferrittopfs angebracht ist, wobei die Achse (120) der zweiten Wicklung nicht koaxial zur Achse (110) der ersten Wicklung ist. DOLLAR A Diese besondere Anordnung der zwei Wicklungen erhöht den Tatbestand D eines metallischen Ziels (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor, der mit einem Schwingkreis bestehend aus zwei elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen ausgestattet ist.
Das Patent US-A-4.942.372 beschreibt einen Näherungssensor dieses Typs, wobei die erste Wicklung den Schwingstrom fliessen lässt, während die zweite Wicklung zur Kompensation der Effekte der Wärmeschwankungen der ersten Wicklung dient. In der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtung sind die beiden Wicklungen koaxial zueinander in demselben Ferrittopf angeordnet, so dass ihre Temperaturen möglichst gleich gross sind. Der Nachteil dieses Typs von Detektor ist, dass der Tastabstand stark vom Material des abzutastenden Ziels abhängt. So entspricht zum Beispiel der Tastabstand von einem Ziel aus Aluminium ungefähr 0.4 Mal demjenigen eines Ziels aus Stahl.
Andere Dokumente beschreiben noch andere mit zwei Wicklungen ausgestattete Detektoren. Die bekannten Dokumente beschreiben immer eine koaxiale Anordnung dieser beiden Wicklungen, gleichgültig ob sie in demselben Ferrittopf untergebracht sind oder nicht. Die koaxiale Geometrie dieser Sensoren führt dazu, dass die magnetischen Feldlinien eine schwache Ausdehnung parallel zur Längsachse der Vorrichtung haben, was einen relativ kurzen Tastabstand dieser Sensoren zur Folge hat.
Ein erstes Ziel der Erfindung ist daher, einen induktiven Sensor mit einem Schwingkreis bestehend aus zwei elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen vorzuschlagen, der im Vergleich zu den bekannten Sensoren verbessert wird.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen induktiven Sensor mit einem Schwingkreis bestehend aus zwei elektromagnetisch miteinander verbundenen Wicklungen vorzuschlagen, wobei der Tastabstand im Vergleich zu den bekannten Sensoren vergrössert wird.
Diese Ziele werden durch einen induktiven Sensor wie im ersten Anspruch beschrieben erreicht. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besondere Ausführungsformen oder Varianten eines solchen Sensors.
Ein besondere Ausführungsform eines Sensors gemäss der Erfindung ist nachfolgend beschrieben, wobei diese Beschreibung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung zu betrachten ist, in welcher:
Fig. 1 einen Sensor gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt zeigt, und
die Fig. 2A und 2B zwei weitere Ausführungsformen eines Sensors gemäss der Erfindung zeigen.
Der Sensor 1 gemäss der hier beschriebenen Ausführungsform besteht insbesondere aus einem Ferrittopf 10, in welchem die erste Wicklung 11 untergebracht ist. Die zweite Wicklung 12 ist auf einer Seite des Ferrittopfs angebracht, wobei die Achse 120 dieser zweiten Wicklung 12 im Wesentlichen senkrecht zur Achse 110 der ersten Wicklung 11 steht. Die Achsen, welche hier und in den Ansprüchen, welche Wicklungen betreffen, erwähnt sind, entsprechen jedes Mal der zur Ebene der Windungen der entsprechenden Wicklungen senkrechten Achse. Diese Achse verläuft parallel zur Richtung des Eigendurchflusses der Wicklung im Inneren besagter Wicklung.
Der Sensor 1 wird durch einen elektronischen Schaltkreis 13 vervollständigt, der vorzugsweise auf einem Plättchen montiert wird, welches auf dem hinteren Teil des Topfs fixiert ist, wobei die Enden der Spulendrähte der beiden Wicklungen 11 und 12 mit diesem elektronischen Schaltkreis verbunden werden. Im vorliegenden Fall eines Sensors des versenkbaren Typs ist die obenerwähnte Konstruktion von einer Schutzhülle 2 umgeben, die dem mechanischen Schutz der Vorrichtung und seiner Festigkeit dient und seine Fixierung in einem Teil eines Gestells 20 erlaubt. In diesem Fall ist die Hülle 2 leitfähig, was ausserdem die Funktion einer elektromagnetischen Abschirmung garantiert.
Da die zwei Wicklungen 11 und 12 durch Ströme mit Frequenzen zwischen 150 kHz und 500 kHz gespiesen werden, zeigt die Figur ferner die verschiedenen magnetischen Flüsse, welche durch die zwei Wicklungen produziert werden. Man hat also zuerst den durch die erste Wicklung 11 produzierten Fluss Φ11, den durch die zweite Wicklung 12 produzierten Fluss Φ12 und den durch die Verbindung beider Wicklungen 11 und 12 produzierten gemeinsamen Fluss Φ11-12.
Wenn auf der Seite des Ferrittopfs 10 einen Zwischenraum zwischen besagtem Ferrittopf und der Hülle 2 gelassen wird, um die zweite Wicklung 12 einzusetzen, und wenn besagte zweite Wicklung senkrecht zu besagter erster Wicklung plaziert wird, wird die Aufteilung des gemeinsamen Flusses Φ11-12 in dieser Zone verzerrt, was diesem erlaubt, sich mehr in Richtung des abzutastenden Metallziels auszudehnen.
Da im Fall dieses Detektors der elektronische Schaltkreis so gebaut ist, dass er ein Zielabtastsignal aussendet, wenn der gemeinsame Fluss Φ11-12 durch ein Metallziel unterbrochen wird, wie in der Figur dargestellt, erhöht die Ausdehnung dieses gemeinsamen Flusses in Richtung des Ziels den Tastabstand D.
Um den äusseren Durchmesser des Sensors, bzw. der Hülle, nicht unnötig zu erhöhen, wird einfach die Symmetrieachse 110 der ersten Wicklung 11, respektive des Topfs 10, relativ zur Symmetrieachse 200 der Hülle 2 verschoben. Die Verschiebung wird so durchgeführt, dass ein genügend grosser Zwischenraum auf einer Seite des Ferrittopfs 10 gelassen wird, um Platz für das Einsetzen der zweiten Wicklung 12 zu gewähren.
Da der äussere Durchmesser des Ferrittopfs 10 daher kleiner als der Durchmesser der Hülle 2 ist, wurden Versuche zur Bestimmung des optimalen Verhältnisses zwischen diesen zwei Durchmessern durchgeführt. Diese Versuche haben gezeigt, dass der Tastabstand D am grössten für ein Verhältnis zwischen dem äusseren Durchmesser des Ferrittopfs 10 und dem Durchmesser der Hülle 2 von 0.5 bis 0.8 ist, wobei die besten Resultate bei einem Verhältnis von ca. 2/3 erzielt wurden.
Um zu verhindern, dass ein Teil des gemeinsamen Flusses Φ11-12 sich auf die obere ebene Fläche des Gestells 2 ausdehnt, welche sich beiderseits der Endflächen 21 der Hülle 2 ausstreckt, und dass so allfällige auf dieser Fläche liegende metallische Teilchen oder Rückstände abgetastet werden könnten, verschiebt man die obere Fläche 100 des Ferrittopfs 10 gegen das Innere der Hülle 2, um einen Zwischenraum g zwischen der oberen Fläche 100 des Ferrittopfs 10 und der Endfläche 21 der Hülle 2 freizulassen. Dieser Zwischenraum wird im Allgemeinen mit einem Harz oder einem synthetischen Material ausgefüllt, um die im Innern der Hülle 2 angebrachte Vorrichtung zu schützen. Vorzugsweise bewegt sich das Verhältnis zwischen dem Wert dieses Zwischenraums g und dem äusseren Durchmesser der Hülle 2 zwischen 0.08 und 0.3 und beläuft sich mit Vorteil auf 1/6.
Man stellt daher fest, das eine Verschiebung der beiden Wicklungen 11 und 12 eine Verzerrung des gemeinsamen Flusses Φ11-12 bewirkt, wobei dieser in Richtung des Ziels ausgedehnt und dadurch der Tastabstand erhöht wird. Eine bevorzugte Ausführungsform der Verschiebung dieser beiden Wicklungen wurde oben beschrieben, aber andere Ausführungs­ formen einer solchen Verschiebung sind vorstellbar.
Ausserdem ist gemäss der bevorzugten Ausführungsform die erste Wicklung in einem Ferritopf untergebracht, während die zweite Wicklung keinen Kern enthält. Dieses Merkmal ist nicht direkt signifikant für den gewünschten Effekt und andere Anordnungen sind auch denkbar.
Die Fig. 2A et 2B zeigen, als Beispiel, andere mögliche Konfigurationen der relativen Anordnung der beiden Wicklungen.
In der Fig. 2A ist die zweite Wicklung 12 parallel zur ersten Wicklung 11 angebracht, während in der Fig. 2B die beiden Achsen 110 und 120 der beiden Wicklungen einen Winkel grösser als 0° und kleiner als 90° bilden.
Es ist somit verständlich, dass der Winkel zwischen den beiden Achsen 110 und 120 der Spulen unwichtig ist; es genügt, wenn die beiden Spulen so verbunden werden, dass der Maximalwert des gemeinsamen Flusses Φ11-12 relativ klein ist aber genügend verzerrt wird, um sich so weit wie möglich in Richtung des abzutastenden Metallziels auszudehnen. Auf diese Weise hat das Ziel einen maximalen Einfluss auf die Verbindung.
In allen beschriebenen und als Beispiel ausgeführten Fällen sind die beiden Achsen 110 und 120 der ersten Wicklung 11 und der zweiten Wicklung 12 nicht koaxial.
Dieselben Figuren zeigen auch einige mögliche Variationen bezüglich der Ferritkerne. So enthalten zum Beispiel alle in den Figuren gezeigten Vorrichtungen eine erste in einem Ferrittopf untergebrachte Wicklung 11, wobei die Fig. 1 und 2B die zweite Wicklung 12 als Kernfreie Wicklung zeigen, während die Fig. 2A diese zweite Wicklung auch in einem Ferrittopf untergebracht zeigt.
Es muss somit verstanden werden, dass, obwohl nicht alle Varianten in den Figuren dargestellt sind, jede Wicklung entweder eine Kernfreie Wicklung oder eine in einem Ferrittopf untergebrachte Wicklung sein kann, oder dass die zwei Wicklungen sogar in einem einzigen gemeinsamen Ferrittopf untergebracht werden können.
Dies bedeutet, dass irgendeine der oben beschriebenen oder noch denkbaren Variante der Kernanordnung der Wicklungen mit irgendeiner der vorher beschriebenen oder noch denkbaren Ausführungsform der Geometrie der relativen Anordnung der beiden Wicklungen assoziiert werden kann.
So erhält der Sensor gemäss der Erfindung durch die beschriebene spezielle Anordnung der beiden verbundenen Wicklungen einen grösseren Tastabstand im Vergleich zu bekannten Sensoren mit demselben Durchmesser.

Claims (14)

1. Induktiver Näherungssensor (1) mit Schwingkreis, beinhaltend:
  • - eine erste Wicklung (11) mit einer ersten Achse (110),
  • - eine zweite Wicklung (12) mit einer zweiten Achse (120),
  • - wobei die erste Wicklung elektromagnetisch mit besagter zweiter Wicklung verbunden ist,
  • - eine leitende Hülle (2), die mindestens die beiden Wicklung (11, 12) umgibt,
dadurch gekennzeichnet, dass
  • - die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) nicht koaxial sind.
2. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) parallel verlaufen.
3. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) senkrecht zueinander verlaufen.
4. Sensor gemäss Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Achsen (110, 120) der ersten Wicklung (11) und der zweiten Wicklung (12) schräg zueinander verlaufen.
5. Sensor gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der besagten Wicklungen auf einem Ferritkern angebracht ist.
6. Sensor gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Wicklungen eine Kernfreie Wicklung ist.
7. Sensor gemäss Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die beiden Wicklungen (11, 12) in einem gemeinsamen Ferrittopf (10) untergebracht sind.
8. Sensor gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (110) der ersten Wicklung (11) parallel zur Längsachse (200) der Hülle (2) angeordnet ist.
9. Sensor gemäss Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Achse (110) der ersten Wicklung (11) relativ zur Längsachse (200) der Hülle (2) radial verschoben ist.
10. Sensor gemäss Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich das Verhältnis zwischen dem äusseren Durchmesser des Ferrittopfs (10) und dem äusseren Durchmesser der Hülle 2 von 0.5 bis 0.8 bewegt.
11. Sensor gemäss Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem äusseren Durchmesser des Ferrittopfs (10) und dem äusseren Durchmesser der Hülle (2) 2/3 beträgt.
12. Sensor gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferrittopf (10) im Innern der Hülle (2) zurückverschoben angebracht ist, wobei eine Distanz (g) die Endfläche (21) der Hülle von der oberen Fläche (100) des Ferrittopfs trennt.
13. Sensor gemäss dem Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Distanz (g), welche die Endfläche (21) der Hülle von der oberen Fläche (100) des Ferrittopfs trennt, und dem äusseren Durchmesser der Hülle zwischen 0.08 und 0.3 liegt.
14. Sensor gemäss dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Distanz (g), welche die Endfläche (21) der Hülle von der oberen Fläche (100) des Ferrittopfs trennt, und dem äusseren Durchmesser der Hülle sich auf 1/6 beläuft.
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