DE10046147C1 - Hochempfindlicher Näherungssensor sowie Verfahren zu seinem Abgleich - Google Patents

Abstract

Der beschriebene Näherungssensor weist ein erstes Einstellelement (70) auf, welches eine einen Rückkopplungsstrom I¶R1¶ an einen Oszillator (60) ausgebende Stromquelle (75) ansteuert. Ein zweites Einstellelement (110) liefert eine Schwellenspannung U¶SCH¶ an einen Komparator (80). Die Schwellenspannung und die Ausgangsspannung U¶OSZ¶ des Oszillators bestimmen den Schaltpunkt des Komparators. Ein Widerstandsnetzwerk (200), bestehend aus Einzelwiderständen (R¶T1¶-R¶T3¶) kontrolliert drei Einzelstromquellen (210-230). Die Stromquelle (210) hat einen positiven Temperaturkoeffizienten und liefert einen einstellbaren Ausgangsstrom I¶T1¶. Die Stromquelle (220) hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und liefert einen einstellbaren Ausgangsstrom I¶T2¶. Die dritte Stromquelle (230) liefert für Temperaturen unterhalb einer ersten Temperatur und oberhalb einer zweiten Temperatur einen einstellbaren Ausgangsstrom I¶T3¶. Die Einzelströme I¶Ti¶-I¶T3¶ werden mittels eines Addierers (250) gewichtet addiert und ergeben insgesamt einen dem Oszillator zugeführten zweiten Rückkopplungsstrom I¶R2¶.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochempfindlichen Nähe­ rungssensor und einen Näherungsschalter nach den Ober­ begriffen der Ansprüche 1 und 7 sowie ein Verfahren zum Abgleich bzw. zur Kalibrierung und zur Kompensation eines solchen Sensors (bzw. Schalters) nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 8.

Berührungslos arbeitende induktive Näherungssensoren werten eine Parameteränderung eines als Sensorelement fungierenden und durch von außen herangeführte elek­ trisch leitende und/oder magnetisierbare Gegenstände beeinflussbaren LC-Schwingkreises aus. Eine Auswerte­ schaltung erzeugt dabei ein von der Ausgangsspannung des Schwingkreises abhängiges Ausgangssignal.

Diese Sensoren werden beispielsweise bei Näherungs­ schaltern zur Erfassung und Einhaltung von Abständen zwischen leitenden und/oder magnetisierbaren Objekten und dem Sensor eingesetzt.

Ein solcher berührungslos arbeitender Näherungsschalter geht beispielsweise aus der DE 195 27 174 A1 hervor. Dieser umfasst einen Schwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator. Der Schwingkreis ist mit einem Oszillator und einem Demodulator verbunden, wel­ che eine Ausgangsspannung ausgeben, die ihrerseits wie­ derum einem Eingang eines Komparators zugeführt wird. Der Ausgang des Komparators ist mit einer Ausgangsstufe zur Ansteuerung einer an einem Ausgang liegenden Last verbunden. Des Weiteren sind ein Spannungsregler sowie eine temperaturunabhängige interne Stromquelle und ein externer Widerstand zur Generierung eines Schwellwerts vorgesehen. Ferner ist in der Nähe des Schwingkreises, speziell in der Nähe der Spule, eine als Temperaturfüh­ ler wirkende Diode angeordnet. Dieser Temperaturfühler steuert nun eine ihm nachgeschaltete Kompensations­ schaltung derart, dass diese in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur einen Kompensationsstrom ausgibt, der als Funktion der Temperatur die an einem zweiten Eingang des Komparators anliegende Ausgangsspannung des Schwingkreises verändert. In dem Komparator werden die Ausgangsspannung des Schwingkreises mit dem Schwellwert verglichen und im Falle des Unterschreitens ein Aus­ gangssignal an die Ausgangsstufe ausgegeben, so dass die genannte Last geschaltet wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn ein elektrisch leitender und/oder magne­ tisierbarer Gegenstand an die Spule bis zu einem be­ stimmten Ansprechabstand herangeführt wird.

Ein ähnlicher Näherungsschalter ist aus der DE 41 23 828 C2 bekannt. Der Näherungsschalter weist ebenfalls einen Schwingkreis auf, der aus einer Parallelschaltung einer Spule und eines Kondensators gebildet ist. Die Spule ist dabei in einem Topfkern angeordnet, dessen offene Seite die aktive Fläche des Sensors bildet. Ein oder mehrere Parameter des Näherungsschalters sind über frei programmierbare Einstelleinrichtungen einstellbar, wobei die Einstelleinrichtungen mit Hilfe von Program­ mierdaten programmierbar sind, die über einen üblichen Versorgungsanschluss des Näherungsschalters dadurch übertragen werden, dass sie auf die an diesem Anschluss anliegenden Signale bzw. Spannungen aufmoduliert wer­ den.

Des Weiteren ist in der EP 0 626 595 B1 ein Näherungs­ sensor beschrieben, bei dem in einen Resonanzkreis ein von einer adaptiven Schleifenstufe erzeugter Schleifen­ strom eingespeist wird, um einen resonanten Schwin­ gungszustand aufrecht zu erhalten. Die adaptive Schlei­ fenstufe umfasst eine Ansteuerstufe, welche als Ver­ stärkerstufe ausgebildet ist und eine Mitkopplungsstufe ansteuert, welche wiederum einen Rückkopplungsstrom er­ zeugt. Zusätzlich umfasst die adaptive Schleifenstufe eine Zusatzstromstufe, die einen mitgekoppelten Zusatz­ strom erzeugt, wobei der Zusatzstrom und der Rückkopp­ lungsstrom sich zu einem Schleifenstrom addieren.

Der auswertbare Signalhub, d. h. die zwischen nicht vor­ handenem und etwa vorhandenem Bedämpfungsmaterial ein­ tretende Parameteränderung liegt für die genannten Nä­ herungsschalter bei einem Abstand s gleich einfachem Normschaltabstand bei < 20% bei gleichzeitig üblicher­ weise vorliegender Temperaturdrift von < 5%. Ein Nähe­ rungsschalter mit einfachem Normschaltabstand ist daher mit einem relativ geringen technischen Aufwand reali­ sierbar.

Allerdings nimmt der Signalhub mit sich vergrößerndem Schaltabstand überproportinal ab und beträgt bei etwa vierfachem Schaltabstand bereits unter 1%. In diesem Fall liegt der Signalhub demnach unterhalb der genann­ ten Temperaturdrift von etwa 5%, wodurch ein solcher Näherungsschalter nur mit erheblich größerem Aufwand herstellbar ist.

Die obige Betrachtung macht deutlich, dass ohne Erfas­ sung der Temperatur des Sensorelementes und entspre­ chende Kompensation eine Realisierung eines vorgenann­ ten Sensors nicht möglich ist. In der DE 195 27 174 A1 wird daher die Temperaturdrift durch einen in der Nähe des Schwingkreises angeordneten Temperaturfühler sowie eine Kompensationsschaltung, welche eine von der erfassten Temperatur abhängige Kompensationsgröße aus­ gibt, ausgeglichen.

Aus der DE 197 02 059 C2 geht ein Oszillator hervor, der bei einem Näherungssensor eingesetzt werden kann.

Die EP 0 652 640 A1 offenbart einen Näherungsschalter, der mittels eines Widerstandsnetzwerks einstellbar ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Messempfindlichkeit und damit den Ansprechabstand bzw. den Erfassungsbereich eines eingangs genannten Nähe­ rungssensors bzw. den Schaltabstand eines entsprechen­ den Näherungsschalters gegenüber den vorgenannten im Stand der Technik bekannten Sensoren bzw. Schaltern weiter zu erhöhen. Gleichzeitig sollen sich der Her­ stellungsaufwand und die Herstellungskosten eines sol­ chen Sensors möglichst gering halten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unab­ hängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäß ebenfalls vorgeschlagene Verfahren zur Voreinstellung bzw. Justage eines solchen Nähe­ rungssensors bzw. Näherungsschalters zeichnet sich ins­ besondere durch die zeitliche Abfolge folgender Schrit­ te aus: a) digitaler Abgleich der Oszillatorkennlinie; b) analog durchgeführte Kompensation der Oszillator­ kennlinie zur Minimierung von temperaturabhängigen Messfehlern; c) digital erfolgender exemplarspezifi­ scher Abgleich des Ansprechabstandes anhand eines Ver­ stellens der Komparatorschwelle.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen elek­ tronischen Abgleich des Erfassungsbereiches bzw. des Schaltabstandes dadurch zu erreichen, dass ein digita­ ler Abgleich des Oszillators sowie eine digitale Kom­ pensation der Schaltschwelle einer dem Oszillator nachgeschalteten Komparatorstufe gemeinsam mit einer analog durchgeführten Temperaturkompensation des Oszillators durchgeführt werden. Durch Kombinieren dieser Einzel­ maßnahmen wird die Messempfindlichkeit des Sensors deutlich erhöht.

Der erfindungsgemäße Näherungssensor sowie das vorge­ schlagene Verfahren ermöglichen eine gegenüber den be­ kannten Näherungssensoren deutlich höhere Empfindlich­ keit und daher einen entsprechend größeren Erfassungs­ bereich. Ferner wird eine gezielte Voreinstellung bzw. Verschiebung des sogenannten Schaltpunktes, d. h. im Falle eines induktiven Näherungsschalters des Abstandes zwischen einer induktiv sensierenden Fläche und dem je­ weiligen Bedämpfungsmaterial bis hin zu Werten des vierfachen Normschaltabstandes, ermöglicht.

Das erste erfindungsgemäße Einstellelement ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als digital program­ mierbares Widerstandsnetzwerk ausgebildet. Das Netzwerk kann dabei Teil eines integrierten Bausteins (ASIC) sein, der auch die Datenübertragung und Datenverarbei­ tung der Programmiersignale übernimmt. Die Funktion dieses ASICs kann allerdings auch durch einen Mikrocon­ troller realisiert werden.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Vor­ einstellung bzw. zum Abgleich des Näherungssensors über die Oszillatoramplitude können sämtliche Parameter­ streuungen der in der Oszillatorschaltung und der Spule verwendeten elektronischen Bauelemente sowie der zum hermetischen Einbau des Näherungssensors in ein typi­ scherweise metallisches Gehäuse verwendeten Vergußmasse und des Gehäuses selbst weitgehend kompensiert werden. Die Parameterstreuung im Bereich des Gehäuses selbst betrifft insbesondere Maßtoleranzen sowie Toleranzen von Materialparametern der verwendeten Bauteile wie beispielsweise die Permeabilität und die Leitfähigkeit des jeweils verwendeten Gehäusematerials.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zur Vor­ einstellung bzw. Justage eines vorgenannten Näherungs­ sensors ermöglicht zudem eine an einem bereits montier­ ten Sensor bzw. Schalter nachträglich präzise durch­ führbare Einstellung bzw. Kalibrierung des Schaltab­ standes bzw. Erfassungsbereiches, um auch die innerhalb einer Typenreihe meist noch auftretenden Exemplarstreu­ ungen zu kompensieren. Demnach lässt sich auch die Sen­ sierempfindlichkeit bzw. der Ansprechabstand des Sen­ sors noch nachträglich präzise einstellen.

Zur Kompensation von Temperatureinflüssen auf die Be­ triebsgrößen des Oszillators sieht die Erfindung eine analog arbeitende, bevorzugt in der genannten Oszilla­ torschaltung integrierte, temperaturabhängige Kompensa­ tionsstufe vor. Die Kompensationsstufe selbst besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Schal­ tungsanordnung mit drei voneinander unabhängigen, über ein Widerstandsnetzwerk einstellbaren Stromquellen mit den in den Ansprüchen weiter genannten Eigenschaften.

Durch gewichtete Addition der jeweiligen Ausgangströme der drei Stromquellen zu einem zweiten, dem Oszillator zugeführten Rückkopplungsstrom lässt sich der Tempera­ turgang der Schwingungsamplitude des (LC-)Oszillators nahezu vollständig kompensieren. Zur Festlegung der Ge­ wichtung wird eine typenspezifische Sollwertkurve für eine vollständige Kompensation sämtlicher Temperatur­ einflüsse ermittelt. Der Verlauf dieser Sollwertkurve wird dabei durch geeignete Wahl von in dem genannten Widerstandsnetzwerk angeordneten Widerständen nachge­ bildet.

Zum Erreichen eines noch höheren Erfassungsbereichs kann zusätzlich vorgesehen sein, dass die Schwellen­ spannung einer dem Oszillator nachgeschalteten Kompara­ torstufe in Abhängigkeit von der Temperatur verschoben wird und die dabei sich ergebenden Schwellenspannungs­ werte in mittels eines Temperatursensors selektierte, nichtflüchtige Speicherbereiche oder Speicherzellen ge­ speichert werden. Bevorzugt wird dabei die Schwellen­ spannung zu höheren Werten hin verschoben. Auch diese Funktion kann, wie im Falle des Abgleiches der Oszilla­ toramplitude, durch einen weiteren integrierten Bau­ stein bzw. ASIC realisiert werden. Alternativ kommt auch hier die Verwendung eines Mikrocontrollers in Be­ tracht, über den sowohl der Abgleich der Oszillatoram­ plitude als auch die Verschiebung der Schwellenspannung erfolgen können. Die genannte Vorgehensweise ermöglicht zudem eine exemplar-spezifische Bestimmung und Festle­ gung der Schwellenspannung bei unterschiedlichen Tempe­ raturen. Hierdurch können demnach Exemplarstreuungen der Temperaturkoeffizienten der gesamten Systemkomponenten des Näherungssensors noch im fertig montierten Zustand kompensiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen eingehender be­ schrieben, aus denen sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben. In den Zeichnungen sind gleiche oder funktional gleiche Merkmale mit identischen Be­ zugszahlen bezeichnet.

Im Einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Übersichtblockschaltbild zur Darstellung der elektronischen Hauptkomponenten eines er­ findungsgemäßen Näherungssensors;

Fig. 2 eine detailliertere Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des in Fig. 1 gezeigten Sensors;

Fig. 3 eine noch detailliertere Darstellung der er­ findungsgemäßen drei Stromquellen zur Erzeu­ gung eines Rückkopplungsstroms gemäß dem er­ sten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 eine Blockdarstellung eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels des Sensors;

Fig. 5 typische, mit der Erfindung erreichbare Rück­ kopplungstromverläufe in Abhängigkeit von der Temperatur.

Der in Fig. 1 gezeigte berührungsfreie induktive Nähe­ rungssensor weist einen Parallelschwingkreis 10 beste­ hend aus einer Spule 20 und einem Kondensator 30. Die Spule 20 stellt dabei funktional das Sensorelement des Näherungssensors dar und dient zur Sensierung des Ab­ standes s zu einem an den Näherungssensor herangeführ­ ten Gegenstand 40, der aus einem elektrisch leitenden oder magnetisierbaren Material besteht. Die Spule 20 und der Kondensator sind auf einer Seite mit einem Be­ zugspotential (Masse) 50 verbunden und auf der anderen Seite mit einem Oszillator 60. Ein solcher Oszillator 60 ist beispielsweise in der EP 0 626 595 ausführlich beschrieben, auf die in dem vorliegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird.

Der Oszillator 60 steht ferner in Verbindung mit einem integrierten Baustein (ASIC) 70, der zum digitalen Ab­ gleich der Oszillatoramplitude dient. Ein solcher ASIC ist beispielsweise in der DE 41 23 828 C2 beschrieben, auf die ebenfalls in dem vorliegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird.

Wie in der DE 195 27 174 A1 ferner beschrieben, ist der Oszillator 60 zudem mit einem Komparator 80 verknüpft, dessen Ausgang wiederum mit einer Endstufe 90 zur An­ steuerung einer an einem Ausgang 'A' liegenden Last 100 verbunden ist. In dem Komparator 80 werden die Aus­ gangsspannung des Schwingkreises 10 mit einem vorgebba­ ren Schwellwert verglichen und im Falle des Unter­ schreitens ein Ausgangssignal an die Endstufe 90 ausgegeben, so dass die genannte Last 100 geschaltet wird. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Gegenstand 40 an die Spule 20 bis zu einem bestimmten Ansprechabstand herangeführt wird.

Der Komparator 80 ist mit einem weiteren ASIC 110 ver­ knüpft, mittels dessen die Schaltschwelle des Kompara­ tors digital abgeglichen werden kann, um etwaige Tempe­ raturdriften aufgrund von Temperaturkoeffizienten ein­ zelner Bauteile der Schaltung zu kompensieren. Das ASIC 110 ist zu diesem Zweck mit dem Schwingkreis 10 ther­ misch gekoppelt. Ein solches ASIC ist ausführlich in der DE 195 27 174 A1 beschrieben, auf die in dem vor­ liegenden Zusammenhang vollumfänglich Bezug genommen wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung weist nun insbesondere eine elektronische Stufe 120 auf, die mit dem Oszillator 60 verbunden ist, und eine typenspezifi­ sche Kompensation der Temperaturkoeffizienten sämtli­ cher Bauteile des Näherungssensors ermöglicht. Zu die­ sem Zweck ist auch diese Stufe 120 mit dem Schwingkreis 10 thermisch gekoppelt. Die Komponenten der Stufe 120 werden nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 noch ein­ gehender beschrieben.

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Näherungssensors bzw. dessen Schaltungsanordnung zeigt Fig. 2. Aus der Figur geht hervor, dass der als erstes Einstellelement fungierende ASIC 70 zunächst eine erste Stromquelle 75 ansteuert, welche wiederum einen ersten Rückkopplungsstrom I_R1 an den Oszillator ausgibt. Des Weiteren liefert das als zweites Einstellelement die­ nende ASIC 110 eine Schwellenspannung U_SCH an den nega­ tiven Eingang des Komparators 80. Diese Schwellenspan­ nung und die durch den Oszillator 60 bereitgestellte Ausgangsspannung U_OSZ bestimmen den Schaltpunkt des Kom­ parators 80. Der Ausgang des Komparators 80 wird einer­ seits an die Endstufe 90 ausgegeben und andererseits über eine Leitung 85 an die Steuereingänge Stop R_D und Stop R_SCH geführt. Durch diese Rückkopplung ist stets gewährleistet, dass der Komparator 80 nach einem Durch­ schaltvorgang die Teach-in Vorgänge der Einstellelemen­ te 70 und 110 finalisiert.

Zusätzlich beinhaltet der Sensor die Schaltungsanord­ nung 200, die in dem vorliegenden Beispiel als von au­ ßen zugängliche Stufe 120 ausgebildet ist. Die Anord­ nung 200 weist drei Einzelwiderstände R_T1, R_T2 und R_T3 auf, die gemeinsam mit der Masse 50 verbunden sind und die zugeordneten Einzelstromquellen 210 bis 230 ein­ stellen. Wie aus den eingeblendeten Temperaturverlauf­ diagrammen zu ersehen, weist die erste Stromquelle 210 einen positiven Temperaturkoeffizienten auf und liefert demnach einen mittels des Widerstands R_T1 einstellbaren ersten Ausgangsstrom I_T1. Die zweite Stromquelle 220 hat einen negativen Temperaturkoeffizienten und liefert einen mittels des zweiten Widerstands R_T2 entsprechend einstellbaren zweiten Ausgangsstrom I_T2. Die dritte Stromquelle 230 dagegen liefert für Temperaturen unter­ halb einer ersten Temperatur und oberhalb einer zweiten Temperatur einen mittels des dritten Widerstands R_T3 einstellbaren Ausgangsstrom I_T3. Die Einzelströme I_T1- I_T3 werden mittels eines an sich bekannten Addierers 250 gewichtet addiert und ergeben insgesamt einen dem Oszillator 60 zugeführten zweiten Rückkopplungsstrom I_R2.

Aus der Fig. 2 ergibt sich ferner, dass die eigentliche Messgröße des Näherungssensors der an dem Schwingkreis auftretende Parallelverlustwiderstand R_P ist. Denn durch Annäherung des Gegenstandes 40 an die Spule 20 wird das Resonanzverhalten des Schwingkreises 10 ver­ stimmt, womit sich auch der Parallelverlustwiderstand R_P in an sich bekannter Weise mitverändert.

Fig. 3 zeigt nun die bereits anhand von Fig. 2 be­ schriebene Schaltungsanordnung 200 in einer Ausschnitt­ vergrößerung, wobei auf die Beschreibung zu Fig. 2 vollumfänglich verwiesen wird.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Näherungssensors wird nachfolgend anhand der in Fig. 4 gezeigten vereinfachten Blockdarstellung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einstellelemente 70 und 110 durch einen Mikrocontroller 300 ersetzt, der ebenfalls über die Leitung 85 gesteuert wird. Über eine Verbindungsleitung 310 kontrolliert der Mikrocontroller den Rückkopplungsstrom I_R1 des Oszillators 60 und zu­ sätzlich übernimmt der Mikrocontroller 300 die Funktion des zweiten Einstellelements 110 und beeinflußt damit die Schaltschwelle U_SCH des Komparators 80. Anstelle ei­ ner analog durchführbaren Erzeugung des Rückkopplungsstroms I_R2 ist in dem vorliegenden Beispiel der jewei­ lige Verlauf des Rückkopplungsstroms I_R2 in einen nicht­ flüchtigen Speicher des Mikrocontrollers 300 abgelegt.

Ein mit der Erfindung typisch erreichbarer Rückkopp­ lungstromverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur ist in der Fig. 5 dargestellt. Die Steigung des linearen Teils des dargestellten Verlaufs lässt sich durch un­ terschiedlich gewichtete Einzelströme I_T1-I_T2 im durch gestrichelte Linien begrenzten Bereich einstellen. Der Teilstrom I_T3 führt zu einer sogenannten "Wannenform", die sich in eingehenden und systematischen Untersuchun­ gen als optimaler Kurvenverlauf bei der Kompensation der genannten Temperaturdriften herausgestellt hat.

Abschließend soll die Wirkungsweise des erfindungsgemä­ ßen Näherungssensors anhand von konkreten Zahlenbei­ spielen noch einmal verdeutlicht werden. Für den Wert des Parallelverlustwiderstandes R_P des Schwingkreises (Sensorelement) gilt der folgende exponentielle Zusam­ menhang

R_P(s) = R_P(∞)[1 - exp(-s/k)]

wobei R_P(∞) der Wert des Parallelverlustwiderstandes bei nicht vorhandenem Bedämpfungsmaterial, s der Ab­ stand zwischen Sensor und einer angenommenen Bedämp­ fungsplatte, und k eine hauptsächlich durch die Sensor­ geometrie bestimmte Systemkonstante ist. Bei induktiven Industriesensoren der Bauform M12 (metrisch­ zylindrisches Gewinderohr) ist der Wert von k typischerweise etwa 1,5 mm. Durch Optimierung der Baukompo­ nenten des Sensorelementes, nämlich von Gewinderohr, Kunststoffkappe, Ferritkern, Spulengeometrie und Wick­ lung (Spulendraht) kann der Wert von k auf circa 2 mm erhöht werden. Damit ergibt sich bei Sensoren mit Norm­ schaltabstand s_N ein Signalhub im Abstand s_N ≧ 30%. Dem­ gegenüber ergibt sich bei einem vierfachen Norm­ schaltabstand s_4N ein Signalhub im Abstand 4s_N Ω 1%. Dieser Wert kann nur ausgewertet werden, wenn der durch die Umgebungstemperatur hervorgerufene Signalhub von deutlich mehr als 2% hinreichend genau kompensiert wird.

Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren er­ folgt eine Temperaturkompensation dadurch, dass in ei­ nem ersten Schritt eine analoge typenspezifische Kom­ pensation des Temperaturgangs der Oszillatorschwin­ gungsamplitude erfolgt. In einem zweiten, bevorzugt nachfolgenden, Schritt werden die exemplarspezifischen Streuungen der Temperaturkoeffizienten der Einzelsy­ stemkomponenten kompensiert. Dies erfolgt durch eine temperaturabhängige Verschiebung, insbesondere Erhö­ hung, der Schwellenspannung des Komparators. Diese Ver­ schiebung erfolgt digital, d. h. bei fest definierten bzw. vorgegebenen Umschalttemperaturen, und erlaubt nur wertdiskrete Verschiebungen der Schwellenspannung. Die für die Kompensation erforderlichen Schwellenspannungs­ werte werden in einem Durchlauf ermittelt, bei dem eine vollständige Temperaturkompensation erfolgt. Die Werte werden mittels eines speziellen Programmierverfahrens (siehe DE 195 27 174) in einen nichtflüchtigen Speicher, der bevorzugt in den Sensor integriert ist, ge­ speichert.

Die bei der erfindungsgemäßen Voreinstellung des Sen­ sors durchlaufenen Schritte werden nachfolgend anhand am Beispiel eines Industriesensors der Bauform M12 ein­ gehender erläutert. Zunächst werden die in der Entwick­ lungsphase des Sensors festgelegten Werte der Wider­ stände R_T1-R_T3 zur analogen Temperaturkompensation auf der bestückten Sensorplatine realisiert.

Der fertig montierte, in einem Gewinderohr vergossene Sensor wird bei Raumtemperatur auf einen ersten Schaltabstand von zunächst dem 3,5-fachen Normschaltab­ stand, d. h. auf einen Wert s_3,5N = 7 mm, abgeglichen. Dieser Abgleich eliminiert sämtliche bei Raumtemperatur auftretenden Toleranzen der Bauteile, einschließlich der Maß- und Montagetoleranzen.

Der endgültige Schaltabstand von s_4N = 8 mm wird bei einer Reihe vorgegebener Temperaturen, ebenfalls im fertig montierten bzw. assemblierten Zustand von außen über die Versorgungsleitung einprogrammiert. Dabei wer­ den noch vorhandene Abweichungen der Temperaturkoeffi­ zienten der Einzelsystemkomponenten eliminiert. Der Sensor wird demnach bei jeder Programmiertemperatur auf exakt 8 mm Schaltabstand vorprogrammiert.

Bei Sensorsystemen, an die weniger hohe Anforderungen an die Genauigkeit zu stellen sind, können im letzten Schritt alternativ im Vorfeld statistisch ermittelte Kompensationswerte bei Raumtemperatur unmittelbar in den nichtflüchtigen Speicher eingespeichert werden.

Claims (15)

1. Näherungssensor zur Erfassung eines elektrisch leitenden und/oder magnetisierbaren Objektes (40), mit einem Schwingkreis (10) umfassend eine Induktivität (20) und eine Kapazität (30), dessen Resonanzwiderstand von einem Bedämpfungsabstand (s) zwischen der Induktivität (20) und dem Objekt (40) abhängt, mit einer mit dem Schwingkreis (10) verbundenen Oszillatorschaltung (60), gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) ein erstes Einstellelement (70) zur Erzeugung eines der Oszillatorschaltung (60) zuführbaren und digital veränderbaren ersten Rückkopp­ lungsstroms (I_R1)
• b) ein zweites Einstellelement (110) zur tempera­ turabhängigen Einstellung eines Komparator- Schwellwertes (U_SCH), und
• c) ein drittes Einstellelement (200) zur Erzeu­ gung eines der Oszillatorschaltung (60) zu­ führbaren und insbesondere analog veränderba­ ren zweiten Rückkopplungsstroms (I_R2), wobei das zweite Einstellelement (112) und das drit­ te Einstellelement (200) mit dem Schwingkreis (10) thermisch gekoppelt sind.

2. Näherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das erste und zweite Einstellele­ ment (70; 110) mittels wenigstens einer Versor­ gungsleitung von extern programmierbar sind.

3. Näherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Einstellelement (70) als digital programmierbares Wider­ standsnetzwerk ausgebildet ist.

4. Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Einstel­ lelement (200) eine erste Stromquelle (210) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und mit einem mittels eines ersten ohmschen Widerstands (R_T1) einstellbaren ersten Ausgangsstrom (I_T1), ei­ ne zweite Stromquelle (220) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten und mit einem mittels ei­ nes zweiten ohmschen Widerstands (R_T2) einstell­ baren zweiten Ausgangsstrom (I_T2), und wenigstens eine dritte Stromquelle (230), die für Temperatu­ ren unterhalb einer ersten Temperatur und oberhalb einer zweiten Temperatur mindestens einen mittels eines wenigstens dritten ohmschen Wider­ stands (R_T3) einstellbaren Ausgangsstrom (I_T3) liefert, aufweist.

5. Näherungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die wenigstens drei ohmschen Wi­ derstände (R_T1, R_T2, R_T3) außerhalb des dritten Einstellelements (200) angeordnet sind.

6. Näherungssensor nach Anspruch 4 oder 5, gekenn­ zeichnet durch Mittel (250) zur insbesondere ge­ wichteten Addition der wenigstens drei Ausgang­ ströme (I_T1, I_T2, I_T3) zu dem Rückkopplungsstrom (I_R2).

7. Näherungsschalter aufweisend einen Näherungssen­ sor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Verfahren zum Abgleich und/oder zur Kalibrierung eines digitalen/analogen Näherungssensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeich­ net durch die zeitliche Abfolge folgender Schrit­ te: a) digitaler Abgleich der Oszillatorkennli­ nie; b) analog durchgeführte Kompensation der Os­ zillatorkennlinie zur Minimierung von tempera­ turabhängigen Messfehlern; c) digitaler exemplar­ spezifischer Abgleich der Schaltschwelle.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Schritte: Einstellen der Schwingungsamplitude des Oszillators mittels teach-in Programmierung des ersten Einstellelementes; Einstellen der Schwellenspannung einer der Oszillatorschaltung nachgeschalteten Komparatorstufe bei wenigstens zwei unterschiedlichen Temperaturen durch eine weitere teach-in Programmierung; und Ablegen der jeweiligen Einstellwerte in ein nichtflüchtiges Speichermittel.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die teach-in Programmierungen von außen über die wenigstens eine Versorgungsleitung erfolgen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schwellenspannung der Komparator­ stufe in Abhängigkeit von der Temperatur verscho­ ben wird und die dabei sich ergebenden Schwellen­ spannungswerte mittels eines Temperatursensors in/aus selektierte/n nichtflüchtige/n Speicherbe­ reiche/n oder Speicherzeilen gespeichert/gelesen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schwellenspannung zu höheren Werten hin verschoben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, dass die Temperaturkompen­ sation der Oszillatoramplitude mittels eines aus wenigstens drei unabhängig gewichtbaren temperaturabhängigen Teilströmen gebildeten Rückkopp­ lungsstroms erfolgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, dass zur Festlegung der Gewichtung eine ty­ penspezifische Sollwertkurve für eine vollständi­ ge Kompensation sämtlicher Temperatureinflüsse ermittelt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, dass der Verlauf der Sollwertkurve durch ge­ eignete Wahl der in dem Widerstandsnetzwerk ange­ ordneten Widerstände (RT1, RT2, RT3) nachgebildet wird.