DE102007001821B4

DE102007001821B4 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102007001821B4
Application number: DE200710001821
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Spähn
Original assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Priority date: 2007-01-12
Filing date: 2007-01-12
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2027-01-13
Also published as: DE102007001821A1

Abstract

Induktiver Näherungsschalter (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen diesem und einem metallischen Körper (2), mit einem Gehäuse (3), dessen dem Körper (2) zugewandte Seitenwand (4) oder das vollständig aus einem metallischen Material hergestellt ist, das einen hohen spezifischen Eigenwiderstand aufweist, mit einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Sendespule (5), die über einen Schalter (7) periodisch mit einer Stromquelle (6) elektrisch verbunden ist, und durch die ein Magnetfeld erzeugbar ist, durch das im Körper (2) in Abhängigkeit von dessen Abstand zu der Seitenwand (4) des Gehäuses (3) und der nachgeschalteten Sendespule (5) ein Wirbelstrom entsteht, und mit einer elektrisch betriebenen Auswerteeinheit (8) zur Erzeugung eines Schaltsignals, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des von der Sendespule (5) im Körper (2) erzeugten Wirbelstromes eine Messspule (11) angeordnet ist, durch die der Wirbelstrom des Körpers (2) messbar ist, während die Sendespule (5) von der Stromquelle (6) entkoppelt ist, dass parallel zu dem Schalter...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Näherungsschalter zur Bestimmung des Abstandes zwischen diesem und einem metallischen Körper nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solcher Näherungsschalter ist beispielsweise aus der EP 0936741 A1 zu entnehmen. Die Sendespule und die elektrische Auswerteinheit sind dabei in einem vollständig geschlossenen Gehäuse aus Metall untergebracht. Das Material des Gehäuses ist bei dieser Ausgestaltung nicht ferromagnetisch und weist einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf, durch den gewährleistet ist, dass das von der Sendespule induzierte Magnetfeld von dem Gehäuse nicht abgelenkt wird, sondern außerhalb des Gehäuses gelangt, um dort in einem metallischen Körper einen Wirbelstrom zu erzeugen. Nachdem die Sendespule von der Stromquelle abgeschaltet ist, werden durch die im Körper induzierten Wirbelströme in der Spule Spannungen hervorgerufen, die einen Spannungswert erzeugen, der Aufschlüsse darüber gibt, welchen Schaltabstand der Körper von der Sendespule aufweist.
Der Schaltungsaufbau und die Funktionsweise einer solchen Schaltungsanordnung sind in der EP 0492029 B1 beschrieben.
Als nachteilig bei den bekannten Ausführungen von induktiven Näherungsschaltern und den dazugehörigen Schaltungsanordnungen hat sich herausgestellt, dass das von der Sendespule erzeugte Magnetfeld nicht schnell genug abgebaut wird. Dadurch kann jedoch der Schaltabstand durch die Sendespule nicht zuverlässig und exakt gemessen werden, denn durch den zeitlich verzögerten Abbau des Magnetfeldes wird dieser durch die Wirbelströme des im Körper induzierten Magnetfeldes zeitlich verzögert gemessen. Es ist daher erforderlich, der Sendespule, die sowohl das Magnetfeld erzeugt als auch den Schaltabstand und damit die rückinduzierte Spannung ermittelt, hervorgerufen durch den Wirbelstrom im metallischen Körper, eine zusätzliche Schaltung zuzuordnen, die die Verwertung der Sendespule als Sende- und Messspule ermöglicht.
Darüber hinaus weist eine solche Schaltungsanordnung den Nachteil auf, dass die erzielbare Reichweite zur Abstandsbestimmung gering ausfällt, wenn der Schaltabstand von dünnen Edelstahlblechen gemessen werden soll. Insbesondere im Lebensmittelbereich werden jedoch als Verpackungsmaterialien oftmals solche dünnen Edelstahlbleche eingesetzt.
Aus der DE 10003913 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter mit großem Schaltabstand zu entnehmen, der in einem Gehäuse aus Kunststoff untergebracht ist. Der Näherungsschalter besteht dabei aus einer Sende- und Messspule, durch die der Schaltabstand zwischen dem Näherungsschalter und einem sich annähernden metallischen Objekt feststellbar ist. Durch die Sendespule wird ein Magnetfeld erzeugt, dabei ist es erforderlich, dass zwei baugleiche induktive Näherungsschalter benachbart zueinander angeordnet sind, um eine Differenzmessung des Impulses zwischen den beiden Messspulen zu erfassen. Die Messspulen sind dabei unterschiedlich groß bemessenen Induktionsspannungen ausgesetzt, durch die der Abstand des Körpers ermittelbar ist.
Nachteiligerweise kann eine solche Anordnung in einem Metallgehäuse nicht funktionieren, denn durch das Metallgehäuse werden die Differenzsignale, die von dem Körper ausgesandt werden, erheblich gestört. Die Induktionsimpulse, die von der Sendespule nach der DE 10003913 A1 erzeugt sind, sind von den beiden Messspulen in Form von Differenzsignalen erfassbar. Durch den in dieser Druckschrift offenbarten Kondensator, durch den die im Schaltkreis vorhandene Energie in Schwingung versetzt wird, und somit zwischen dem Kondensator und der Sendespule hin und her geschickt wird, erfolgt zudem keinerlei Spannungsabbau in der Sendespule. Eine in dieser Druckschrift offenbarten Freilaufdiode wird nämlich derart geschaltet, dass die im Schaltkreis vorhandene Spannung in Durchflussrichtung der Freilaufdiode nicht vernichtet ist.
Aus der DE-OS 1762565 ist ein induktiver Näherungsschalter zu entnehmen, dessen Sende- und Messspulen in einem Gehäuse aus Kunststoff eingebaut sind. Ein sich annäherndes metallisches Objekt wird erfasst, indem in dem Schwingkreis der Sendespule Schwingungen erzeugt werden, die gleich gerichtet und auswertbar sind. Nähert sich ein metallisches Objekt dem Schwingkreis an, entsteht aufgrund der physikalischen Eigenschaft des Körpers in dem Schwingkreis ein Energieentzug der messbar ist, denn die Schwingungen reduzieren sich, da das gleichgerichtete Signal des Schwingkreises verringert ist. Bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes schaltet der induktive Näherungsschalter. Dabei erfolgt die Anregung des Schwingkreises nicht kontinuierlich sondern impulsweise.
Auch mit dem in der DE-OS 1762565 beschriebenen induktiven Näherungsschalter sind die vorgenannten Nachteile nicht ausgeräumt. Insbesondere ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen, dass das Schwingverhalten des Schwingkreises in einer möglichst kurz bemessenen Zeitspanne vernichtet werden soll, um für die Messspule in dem sich annähernden Objekt entstehende Wirbelströme erfassen zu können.
Durch die DE 19943127 C1 ist eine elektrische Schaltung zur Erzeugung von kurz bemessenen Stromimpulsen zu entnehmen. Die Stromimpulse werden durch das Abschalten einer Magnetspule, durch die ein induktives Feld erzeugt ist, generiert. Aufgrund dieser Induktivitäts-Veränderungen entstehen an einem Schalttransistor hohe Spannungen, die durch die Durchbruchspannung des Transistors begrenzt sind.
Mit Hilfe der in dieser Druckschrift offenbarten elektrichen Schaltung ist der Betrieb eines induktiven Näherungsschalters in einem Metallgehäuse nicht umsetzbar, denn die Durchbruchsspannung des Transistors nach der DE 19943127 C1 hat mit einer Spannungsvernichtung an einer Sendespule physikalisch nichts gemeinsam.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen induktiven Näherungsschalter der eingangs genannten Gattung bereit zu stellen, der einen kostengünstigen und technisch einfachen Schaltungsaufbau aufweist und mittels dem der Abstand zu Edelstahl-Körpern messbar ist, deren Wandstärke gering ist und deren Abstand von dem Gehäuse des Näherungsschalters möglichst groß bemessen sein soll.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Aufgrund der Verwendung einer zweiten Spule, die als Messspule im Bereich des vom Körper erzeugten Wirbelstrom-Feldes angeordnet ist, kann die Schaltungsanordnung gegenüber dem bekannten Stand der Technik erheblich technisch vereinfacht werden, denn nunmehr ist die Messspule ausschließlich verantwortlich, um den Abstand zwischen dieser und dem Körper zu ermitteln. Darüber hinaus wird das von der Sendespule erzeugte Magnetfeld, das den Messvorgang in der Messspule stört, durch die Spannungsbegrenzungsschaltung derart rasch abgebaut, dass unmittelbar nach dem Öffnen des Schalters bereits der Abstand zwischen der Messspule und dem Körper ermittelbar ist. Das Wirbelstromfeld im Körper kann folglich unverzüglich nach Betätigen des Schalters erfasst werden. Die Position der Messspule ist nahezu frei wählbar, da diese ausschließlich im Bereich des von dem Körper erzeugten Wirbelstromfeldes anzuordnen ist. Demnach kann die Messspule von der Sendespule räumlich getrennt werden.
Um das in der Sendespule gespeicherte Magnetfeld, nachdem der Schalter geöffnet wurde, so rasch als möglich abzubauen, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Spannungsbegrenzungsschaltung ein Widerstand zugeordnet ist, der in Reihe zu einer Diode und einem Kondensator geschaltet wird, wobei parallel zu dem Kondensator eine Zenerdiode vorgesehen ist. Dadurch wird nämlich das Magnetfeld der Sendespule unmittelbar nach dem Öffnen des Schalters abgebaut und der Schalter wird gegen Spannungsspitzen geschützt.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Näherungsschalters dargestellt, das nachfolgend näher erläutert wird. Im Einzelnen zeigt:
1 einen Näherungsschalter in einem vollständig geschlossenen Gehäuse aus Metall, bestehend aus einer Sende- und einer Messspule, einer elektrisch betriebenen Auswerteeinheit sowie einem Schalter, durch den die Sendespule periodisch an eine Stromquelle angeschlossen ist und einer Spannungsbegrenzungsschaltung
2 drei Schaubilder zur Verdeutlichung der Funktionsweise des Näherungsschalters gemäß 1 und
3 eine vergrößerte Darstellung der Spannungsbegrenzungsschaltung gemäß 1.
Der in den 1 und 3 abgebildete induktive Näherungsschalter 1 umfasst einen Schaltkreis 9, der im Wesentlichen nahezu vollständig in einem geschlossenen Gehäuse 3 aus Metall untergebracht ist. Durch den Näherungsschalter 1 soll der Abstand zwischen diesem und einem Körper 2 bestimmbar sein, so dass durch den Näherungsschalter 1 ein Schaltvorgang auslösbar ist. Das metallische Gehäuse 3 weist einen hohen spezifischen Eigenwiderstand auf. Insbesondere eine dem Körper 2 zugewandte Seitenwand 4 des Gehäuses 3 besteht aus diesem Material, um Beschädigungen, die beispielsweise durch das Auftreffen des Körpers auf die Seitenwand 4 entstehen können, zu verhindern und um Magnetfelder nicht zu beeinflussen. Wenn das Gehäuse 3 vollständig geschlossen ist, können Fremdpartikel in das Innere des Gehäuses nicht vordringen.
Der Schaltkreis 9 besteht aus einer Sendespule 5, die über einen Schalter 7 mit einer Stromquelle 6 periodisch verbunden ist. Durch die Sendespule 5 wird bei geschlossenem Schalter 7 ein Magnetfeld aufgebaut. Aufgrund des hohen spezifischen Eigenwiderstandes der Seitenwand 4 oder des gesamten Gehäuses 3 wird das von der Sendespule 5 generierte Magnetfeld nicht abgelenkt und erzeugt im Körper 2 einen Wirbelstrom, wenn dieser in das Magnetfeld der Sendespule 5 gelangt. Die Stärke des induzierten Wirbelstromes im Körper 2 hängt von dessen Abstand zu der Seitenwand 4 bzw. zu der Sendespule 5 ab. Je näher der Körper 2 in Richtung auf die Sendespule 5 verfahren wird, desto größer wird dessen Wirbelstromfeld.
Um den im Körper 2 erzeugten Wirbelstrom zu ermitteln, ist im Gehäuse 3 eine Messspule 11 angeordnete, die im gezeigten Ausführungsbeispiel fluchtend zu der Sendespule 5 verläuft. Der Abstand zwischen dem Körper 2, der Sendespule 5 und der Messspule 11 ist demnach gleich groß bemessen.
Parallel zu dem Schalter 7 ist eine Spannungsbegrenzungsschaltung 12 vorgesehen, deren exakte Schaltungsanordnung 3 zu entnehmen ist. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 umfasst einen Widerstand 15, dem, bezogen auf den Schalter 7, eine Diode 16 in Reihe nachgeschaltet ist. Ebenfalls in Reihe geschaltet zu der Diode 16 ist ein Kondensator 17. Parallel zu diesem ist eine Zenerdiode 18 elektrisch angaeordnet. Durch den Spannungsbegrenzungsschaltkreis 12 soll zum Einen das von der Sendespule 5 aufgebaute Magnetfeld innerhalb einer äußerst kurz bemessenen Zeitperiode abgebaut werden und zum Anderen sollen die Spitzenspannungswerte, die beim Öffnen des Schalters 7 entstehen, durch die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 aufgenommen werden, so dass der Schalter 7 vor Spannungsspitzen geschützt ist.
Aufgrund des raschen Magnetfeldabbaus der Sendespule 5 kann durch die Messspule 11 nunmehr unmittelbar nach Öffnen des Schalters 7 die Stärke des Wirbelstromes im Körper 2 ermittelt werden, denn diese induziert in der Messspule 11 eine Spannung. Mit der Messspule 11 ist eine elektrisch betriebene Auswerteeinheit 8 gekoppelt, durch die die ermittelten Spannungswerte der Messspule 11 in Schaltsignale umgewandelt werden, und zwar in Abhängigkeit von dem gemessenen Abstand des Körpers 2.
In 2 wird der Funktionsverlauf der gesamten Schaltung für den induktiven Näherungsschalter 1 ersichtlich. Dabei ist in dem ersten Schaubild aufgetragen, welche Schaltposition der Schalter 7 einnimmt. Der Schalter 7 ist geschlossen, wenn die Kurve ansteigt und für eine bestimmte Zeitdauer t in dieser Stellung gehalten ist.
Die zweite Funktion gibt den Spannungsverlauf an der Messspule 5 wieder. So lange der Schalter 7 nämlich geschlossen ist, wird die Sendespule 5 mit einem kontinuierlich ansteigenden Strom durchflossen. Das Magnetfeld der Sendespule 5 baut sich mit der Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes langsam auf. Das kontinuierliche Ansteigen des Magnetfeldes verursacht im Gehäuse 3 und in dem abzutastenden Körper 2 eine Kreisspannung, durch die Wirbelströme im Körper 2 erzeugt werden. Durch die Ausbreitung der Wirbelströme im Körper 2 entsteht ein Gegenfeld, durch das die weitere Ausbreitung des Magnetfeldes der Sendespule 5 verhindert wird. Die Stärke der Wirbelströme hängt von dem spezifischen Widerstand und der Dicke des Materials des Körpers 2 ab. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Magnetfeldes durch die Sendespule 5 ist dabei derart vorzugeben, dass die im Gehäuse 3, das aus Edelstahl besteht, erzeugten Wirbelströme nur zu einem geringen Anteil der Ausbreitung des Magnetfeldes der Sendespule 5 entgegenwirken.
Wird nunmehr die Sendespule 5 abgeschaltet, also der Schalter 7 geöffnet, wirkt das in der Sendespule 5 gespeicherte Magnetfeld derart, dass der Stromfluss zunächst aufrecht erhalten wird. Über den Schalter 7 baut sich eine hohe Induktionsspannung auf, die den Schalter 7 zerstören würde. Um das Magnetfeld der Sendespule 5 und das Gegenfeld im Gehäuse 3 möglichst rasch abzubauen, so dass durch die Messspule 11 das relativ schwache Magnetfeld des Körpers 2 ermittelt werden kann, ist die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 parallel zu dem Schalter 7 geschaltet. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 12 erlaubt eine konstant hohe Induktionsspannung, die gerade so hoch bemessen ist, dass der Schalter 7 nicht zerstört wird, aber dass sich gleichzeitig das Magnetfeld in der Sendespule 5 und auch der mit der Sendespule 5 verbundene Wirbelstrom des Gehäuses 3 in einer relativ kurz bemessenen Zeitperiode abbaut. Nach dem Abklingen dieses Magnetfeldes und nach der Zeitdauer t ist die Messspannung in der Messspule 11 proportional zum Magnetfeld, das durch den Wirbelstrom im zu messenden Körper 2 vorhanden ist. Aufgrund der elektrisch geringen Koppelung zwischen der Sendespule 5 und dem Verlustwiderstand im Material des Körpers 2 ist bei einer Edelstahlausführung des Körpers 2 mit ähnlicher Materialstärke wie das Gehäuse 3 ein hoher nutzbarer Schaltabstand realisierbar, da bedingt durch die hohe Induktionsspannung die gleichzeitige Messung der kleinen rückinduzierten Signalspannung durch die Messspule 11 möglich ist. Diese Schaltungsverläufe sind dem dritten Schaubild zu entnehmen. Dabei zeigen die drei gewählten Kurvenverläufe verschiedene Abstände der Körper 2 zu der Seitenwand 4 des Gehäuses 3, die anschließend von der Auswerteinheit 8 in elektrische Schaltsignale umgewandelt werden.
Die Messspule 11 kann auch in einem weiteren zusätzlichen Gehäuse untergebracht sein. Voraussetzung für einen ordnungsgemäßen Betrieb des induktiven Näherungsschalters 1 ist lediglich, dass die Messspule 12 im Magnetfeld, das von dem Wirbelstrom im Körper 2 erzeugt wird, angeordnet ist.
Schematisch in 1 ist die Wicklung der beiden Sende- und Messspulen 5 und 11 gezeigt. Dabei soll der jeweilige Punkt angeben, dass die Wicklung der Sende- und Messspule 5 und 11 in die gleiche Richtung verlaufen. Die beiden parallel zu der Sende- und der Messspule 5 und 11 verlaufenden Striche sollen angeben, dass die beiden Sende- und Messspulen 5 und 11 auf einen gemeinsamen Schalenkern aufgewickelt sind. Durch diese Wicklungsart wird eine Richtwirkung des von der Sendespule 5 induzierten Magnetfeldes in Richtung des zu erfassenden Körpers 2 ermöglicht.
Es ist auch möglich, die Sendespule 5 und die Messspule 11 magnetisch voneinander zu entkoppeln.

Claims

Induktiver Näherungsschalter (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen diesem und einem metallischen Körper (2), mit einem Gehäuse (3), dessen dem Körper (2) zugewandte Seitenwand (4) oder das vollständig aus einem metallischen Material hergestellt ist, das einen hohen spezifischen Eigenwiderstand aufweist, mit einer in dem Gehäuse (3) angeordneten Sendespule (5), die über einen Schalter (7) periodisch mit einer Stromquelle (6) elektrisch verbunden ist, und durch die ein Magnetfeld erzeugbar ist, durch das im Körper (2) in Abhängigkeit von dessen Abstand zu der Seitenwand (4) des Gehäuses (3) und der nachgeschalteten Sendespule (5) ein Wirbelstrom entsteht, und mit einer elektrisch betriebenen Auswerteeinheit (8) zur Erzeugung eines Schaltsignals, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des von der Sendespule (5) im Körper (2) erzeugten Wirbelstromes eine Messspule (11) angeordnet ist, durch die der Wirbelstrom des Körpers (2) messbar ist, während die Sendespule (5) von der Stromquelle (6) entkoppelt ist, dass parallel zu dem Schalter (7) eine Spannungsbegrenzungsschaltung (12) vorgesehen ist, durch die das Magnetfeld der Sendespule (5) abbaubar ist, und dass die Messspule (11) elektrisch mit der Auswerteeinheit (8) verbunden ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (5), die Messspule (11), der Schalter (7), die Spannungsbegrenzungsschaltung (12) und die Auswerteeinheit (8) in dem gemeinsamen und ganz oder teilweise geschlossenen Gehäuse (3) untergebracht sind.
Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Sendespule (5) und die Längsachse der Messspule (11) fluchtend zueinander oder dass die Messspule (11) zwischen dem Körper (2) und der Sendespule (5) oder dass die Sendespule (5) zwischen dem Körper und der Messspule (11) angeordnet sind.
Nährungsschalter nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (14) der Sendespule (5) und der Messspule (11) in einem frei verfügbaren Wickelraum eines offenen Schalenkernes (13) verlaufen.
Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wicklungen (14) der Sende- und der Messspule (5, 11) eine Richtwirkung des von der Sendespule (5) induzierten Magnetfeldes in Richtung des zu erfassenden Körpers (2) erzeugbar ist.
Nährungsschalter nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (5) und die Messspule (11) magnetisch voneinander entkoppelt sind.
Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld der Sendespule (5) durch die Spannungsbegrenzungsschaltung (12), zeitlich unmittelbar nachdem die Sendespule (5) von der Stromquelle (6) getrennt ist, abgebaut ist.
Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und die Messspule (5, 11) als Planarspulen ausgebildet sind und dass die Planarspulen auf einer Leiterplatte angeordnet sind.
Näherungsschalter nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzungsschaltung (12) einen Widerstand (15) umfasst, der in Reihe zu einer Diode (16) und einem Kondensator (17) geschaltet ist, zu dem parallel eine Zenerdiode (18) in der Spannungsbegrenzungsschaltung (12) angeordnet ist.