DE102007014343B4

DE102007014343B4 - Elektronisch kalibrierbarer Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102007014343B4
Application number: DE200710014343
Authority: DE
Inventors: Torsten Wendler; Jens Müller
Original assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Current assignee: Werner Turck GmbH and Co KG
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: DE102007014343A1

Abstract

Näherungsschalter mit einer Sendespule (S), die als Teil eines Oszillators ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches von einem Auslöser, abhängig von seinem Abstand zum Näherungsschalter, verschieden beeinflusst wird, mit einem Empfangsspulenkreis, der eine erste Empfangsspule (E1) mit einer ersten Spulenwickelungsrichtung und einer zweiten Empfangsspule (E2) mit einer zur ersten Spulenwicklungsrichtung entgegengerichteten zweiten Spulenwicklungsrichtung umfasst, mit denen das vom Auslöser beeinflusste Wechselfeld als Differenzsignal empfangen wird, mit einem Verstärker (V), der das verstärkte Differenzsignal an den Oszillator zurückkoppelt, mit einem Mikrocontroller (μC), der aus dem verstärkten Differenzsignal ein Ausgangssignal (A) formt, welches sich ändert, wenn der sich dem Näherungsschalter annähernde Auslöser einen vorbestimmbaren Schaltabstand erreicht, wobei der Mikrocontroller (μC) ein den Schaltabstand bestimmendes Einstellsignal erzeugt, mit dem ein Einstellglied angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellglied mindestens einen ersten, im Empfangsspulenkreis angeordneten, durch eine aus dem Einstellsignal gewonnene Spannung trimmbaren Widerstand (W1, W2) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Näherungsschalter gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Näherungsschalter ist aus der DE 10 2004 006 901 A1 vorbekannt. Dort wird ein Näherungsschalter beschrieben, der einen Sendeoszillator aufweist. Der Sendeoszillator besitzt eine Sendespule, mit der ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Die Schaltung besitzt ferner Empfangsspulen, die als Differenzspulenanordnung geschaltet ist. Das Sensorsignal wird an einen Schwellwertschalter gegeben. Am Schwellwertschalter liegt eine konstante Schwellwertspannung an. Je nachdem, ob das Sensorsignal über der Schwellspannung oder unter der Schwellspannung liegt, ist das Ausgangssignal des Schwellwertschalters hoch oder niedrig. Das Ausgangssignal liegt an einem Mikrocontroller an. Dieser Mikrocontroller besitzt einen weiteren Eingang, an dem ein Temperaturfühler angeschlossen ist. Abhängig von dem temperaturfühlergemessenen Temperaturwert wird die Versorgungsspannung des Oszillators variiert. Über die Variation der Versorgungsspannung wird der Einfluss der Temperatur auf den Schaltabstand kompensiert. Vom Mikroprozessor wird ein pulsweitenmoduliertes Signal geliefert. Dieses wird mit einem Tiefpassfilter zu einer Gleichspannung geglättet. Diese liegt an einem Transistor an.
Aus der DE 36 08 639 C3 ist eine Schaltungsanordnung zur Einstellung der Empfindlichkeit eine Sensors bekannt. Diese Anordnung besitzt eine Vielzahl von elektronisch trimmbaren Widerständen. Die Widerstände sind in einer Matrix angeordnet und werden über Schalttransistoren entweder zu- oder abgeschaltet.
Aus der DE 40 06 893 C2 ist ein Induktiver Näherungsschalter vorbekannt, bei dem Einstellwerte in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden. Über einen automatischen Kalibrierlauf werden die Einstellwerte ermittelt.
Aus der DE 41 23 828 C2 ist ein berührungsloser Näherungsschalter bekannt, bei dem Einstellwerte in einem Datenspeicher abgelegt werden.
Die DE 36 08 639 C3 beschreibt einen Näherungsschalter mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, die ein Differenzsignal liefern.
Die DE 100 03 913 A1 beschreibt verschieden gestaltete induktive Näherungsschalter und insbesondere eine Prinzipschaltung eines Näherungsschalters, bei dem ein Taktgenerator und ein Stromimpulsschalter einen Stromimpuls generieren, der durch eine Querspule zweier Spulenpaare fließt. Das Differenzsignal wird durch eine Steuerelektronik ausgewertet. Die Steuerelektronik enthält einen einstellbaren Widerstand, mit dem eine Referenzspannung eingestellt werden kann, mittels derer der Schaltabstand beeinflussbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Näherungsschalter mit einfachen Mitteln derart weiterzubilden, dass der Schaltabstand in fertig montiertem Zustand einstellbar ist.
Des Weiteren soll der Schaltabstand über den Einsatztemperaturbereich konstant gehalten werden können.
Zunächst und im Wesentlichen ist vorgesehen, dass das Einstellglied mindestens einen elektronisch trimmbaren Widerstand aufweist. Dieser Widerstand soll im Empfangsspulenkreis angeordnet sein und von einer aus dem Einstellsignal gewonnenen Spannung trimmbar sein. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der trimmbare Widerstand einen zur Kollektoremitterstrecke eines Trimmtransistors parallel geschalteten, den Maximalwert des trimmbaren Widerstandes definierenden Festwiderstand aufweist. Es können zwei trimmbare Widerstände vorgesehen sein. Diese Widerstände können im Wesentlichen zueinander parallel geschaltet sein. Ein Widerstand kann in Reihe zu den beiden Empfangsspulen geschaltet sein. Der andere trimmbare Widerstand kann an einem Abgriff, bspw. Mittenabgriff, einer der beiden Empfangsspulen liegen. Das Einstellsignal kann ein pulsweitenmoduliertes Signal sein. Dieses wird in bekannter Weise über einen Tiefpassfilter in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese Gleichspannung kann an der Basis des Trimmwiderstandes anliegen. Über die Basisspannung wird der Innenwiderstand des Transistors eingestellt. Da der Transistor parallel zum Widerstand geschaltet ist, vermindert sich dadurch der Widerstand des trimmbaren Widerstandes. Der Minimalwiderstand des trimmbaren Widerstandes kann Null werden. Der maximale Widerstand des Trimmwiderstandes ist durch einen Festwiderstand gegeben. Die Schaltung kann einen Temperaturfühler aufweisen. Das Einstellsignal kann sich während des Betriebes des Näherungsschalters ändern. Hierzu ist im Mikrocontroller eine Tabelle abgelegt, so dass eine Temperaturkompensation des Schaltabstandes vorgenommen werden kann. Die Werte für das Einstellsignal bzw. für die Einstecksignale können in Speicherzellen des Mikrocontrollers abgelegt werden. Die Werte werden in einem Kalibrierlauf ermittelt. Dieser Kalibrierlauf kann unter standardisierten Temperaturbedingungen mit einem Auslöser, der in einem Sollabstand positioniert ist, durchgeführt werden. Gestartet wird der Kalibrierlauf durch ein äußeres Signal. Danach werden die Einstellsignale nach einem bestimmten Algorithmus derartig geändert, dass die Wider stände sich schrittweise verändern. Es handelt sich dabei um ein iteratives Verfahren, bei dem im Wege einer Intervallschachtelung das Wertepaar für die Einstellwerte gefunden wird, bei welchem das Ausgangssignal wechselt, wenn der Auslöser den Schaltabstand erreicht hat.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand eines Schaltbildes erläutert.
Das Schaltbild zeigt einen Oszillator, der von einer Sendespule S und einem Kondensator gebildet wird. Dieser Oszillator ist einerseits an einer Spannungsquelle eines Mikrocontrollers μC angeschlossen. Andererseits ist der Oszillator S, C am Ausgang eines Verstärkers und am Eingang des Mikrocontrollers μC angeschlossen.
Am Eingang des Verstärkers V ist ein Empfangsspulenkreis angeschlossen. Dies erfolgt unter Zwischenschaltung eines Kondensators. Der Empfangsspulenkreis besteht aus einer ersten Empfangsspule E1 mit einem ersten Wicklungssinn und einer zweiten Empfangsspule E2 mit einem zweiten Wicklungssinn. Die Wicklungssinne der beiden Empfangsspulen E1 und E2 sind entgegengerichtet, so dass die Reihe geschalteten Empfangsspulen E1, E2 ein Differenzsignal empfangen. Hierzu sind die Empfangsspulen E1, E2 so angeordnet, wie es beispielsweise in der DE 40 31 262 C1 beschrieben ist. Die Sendespule S und die beiden Empfangsspulen E1, E2 können von Planarspulen gebildet sein. Die Spulen können in Achsrichtung hintereinander angeordnet sein. Die Spulen S, Ei, E2 können einen axialen Abstand voneinander besitzen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Sendespule S zwischen die beiden Empfangsspulen Ei, E2 angeordnet ist.
Die Spulenanordnung kann auch so vorgenommen werden, wie sie die DE 10 350733 B1 beschreibt. Dann sind anstelle von einer Sendespule zwei Sendespulen vorgesehen. Eine Sendespule ist parallel zu einer Empfangsspule und eine weitere Sendespule parallel zur anderen Empfangsspule geschaltet.
In Reihe mit den beiden Empfangsspulen E1, E2 ist ein elektrisch trimmbarer Widerstand W2 geschaltet. Parallel zu diesem elektrisch trimmbaren Widerstand W2 ist ein weiterer elektrisch trimmbarer Widerstand W1 geschaltet. Dieser ist im Wesentlichen in Reihe zum elektrisch trimmbaren Widerstand W2 geschaltet und liegt an einem Mittenabgriff der Empfangsspule E1 an.
Der erste elektrisch trimmbare Widerstand W1 besteht aus einem Festwiderstand R1 und einem Transistor T1. Der Widerstand R1 ist parallel zur Kollektoremitterstrecke des Transistors T1 geschaltet. An der Basis des Transistors T1 liegt eine Gleichspannung an. Diese wird durch Umwandlung eines pulsweiten modulierten Ausgangssignal des Mikrocontrollers gebildet. Hierzu kann ein nicht dargestellter Gleichrichter bzw. ein nicht dargestellter Tiefpressfilter vorgesehen sein.
Der zweite elektronisch trimmbare Widerstand W2 ist im Prinzip genauso ausgebildet. Auch er besteht aus einem festen Widerstand R2, der parallel zur Kollektoremitterstrecke eines Transistors T2 angeordnet ist. Auch hier liegt an der Basis des Transistors T2 eine Gleichspannung an, die aus einem pulsweiten modulierten Signal des Mikrocontrollers μC gewonnen wird.
Am Mikrocontroller μC ist darüber hinaus noch ein Temperaturfühler TF angeschlossen. Dieser kann aus einer Diodenstrecke gebildet sein. Der Mikrocontroller μC liefert ein Ausgangssignal A, welches sich ändert, wenn ein nicht dargestellter Metallauslöser einen vorbestimmten Schaltabstand erreicht.
Der Schaltabstand kann durch Variation der Widerstände W1, W2 voreingestellt werden. Durch Variation dieser beiden Widerstände W1, W2 oder auch nur eines dieser beiden Widerstände W1, W2, kann auch eine Temperaturkompensation vorgenommen werden.
Der Oszillator S C erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Die beiden Empfangsspulen E1, E2 sind in Reihe geschaltet und vom elektromagnetischen Wechselfeld durchsetzt. Nähert sich ein metallischer Auslöser in das von der Sendespule S erzeugte elektromagnetische Wechselfeld, so wird es beeinflusst. Die Differenzspannung, die die Ausgangsspannung des Empfangsspulenkreises ist, und die am Verstärker V anliegt, ändert sich dabei. Liegt Phasengleichheit zwischen Differenzspannung und Oszillatorspannung vor, schwingt der Oszillator. Wechselt die Phase der Empfangsspulenanordnung, so schwingt der Oszillator nicht. Dieser Phasenwechsel definiert den Schaltabstand.
Nach der Montage des Sensors erfolgt die Erstkalibrierung des Schaltabstandes. Über die beiden individuell einstellbaren pulsweiten Modulationssignale kann der Mikrocontroller μC die beiden elektrisch trimmbaren Widerstände W1, W2 einstellen. Dazu wird das wird das PWM-Signal nach entsprechender Gleichrichtung auf je einen Transistor T1, T2 gegeben, welcher parallel zum Brückenwiderstand R1, R2 liegt. Durch eine gezielte Änderung des Transistorausgangsleitwertes kann nun das Brückenverhältnis sowohl in Richtung einer Schaltabstandsvergrößerung, als auch in Richtung einer Schaltabstandsverkleinerung geändert werden.
Die Startwerte, mit denen der Kalibrierprozess begonnen wird, sind entweder die jeweils maximalen Widerstandswerte, die durch die Werte der Festwiderstände R1, R2 bestimmt sind, oder die minimalen Widerstandswerte, die in beiden Fällen nahezu Null betragen können bzw. eine Kombination aus beiden.
Der Kalibrierprozess erfolgt nach einem vorgegebenen Algorithmus, bei dem schrittweise die Widerstände W1 bzw. W2 geändert werden, bis sich das Ausgangssignal ändert. Es erfolgt zunächst eine Grobabstimmung und hernach eine Feinabstimmung.
Des Weiteren lässt sich eine aktive Temperaturkompensation durchführen, indem, abhängig von der mit dem Temperaturfühler TF gemessenen Temperatur die Widerstände W1, W2 geändert werden.
Die Transistoren T1, T2 können sowohl als Bipolar-Transistoren, als auch als MOS-Transistoren ausgebildet sein.

Claims

Näherungsschalter mit einer Sendespule (S), die als Teil eines Oszillators ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches von einem Auslöser, abhängig von seinem Abstand zum Näherungsschalter, verschieden beeinflusst wird, mit einem Empfangsspulenkreis, der eine erste Empfangsspule (E1) mit einer ersten Spulenwickelungsrichtung und einer zweiten Empfangsspule (E2) mit einer zur ersten Spulenwicklungsrichtung entgegengerichteten zweiten Spulenwicklungsrichtung umfasst, mit denen das vom Auslöser beeinflusste Wechselfeld als Differenzsignal empfangen wird, mit einem Verstärker (V), der das verstärkte Differenzsignal an den Oszillator zurückkoppelt, mit einem Mikrocontroller (μC), der aus dem verstärkten Differenzsignal ein Ausgangssignal (A) formt, welches sich ändert, wenn der sich dem Näherungsschalter annähernde Auslöser einen vorbestimmbaren Schaltabstand erreicht, wobei der Mikrocontroller (μC) ein den Schaltabstand bestimmendes Einstellsignal erzeugt, mit dem ein Einstellglied angesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellglied mindestens einen ersten, im Empfangsspulenkreis angeordneten, durch eine aus dem Einstellsignal gewonnene Spannung trimmbaren Widerstand (W1, W2) aufweist.
Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der trimmbare Widerstand (W1, W2) einen zur Kollektor-Emitterstrecke eines Trimmtransistors (T1, T2) parallel geschalteten, den Maximalwert des trimmbaren Widerstandes (W1, W2) definierenden Festwiderstands (R1, R2) aufweist.
Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trimmtransistoren (T1, T2) Bipolar-Transistoren oder MOS-Transistoren sind.
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trimmbare Widerstand (W1) an einem Abgriff, insbesondere einem Mittenabgriff einer Empfangsspule (E1) liegt.
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der trimmbare Widerstand (W2) in Reihe zu den beiden Empfangsspulen (E1, E2) geschaltet ist.
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei im Wesentlichen parallel zueinander geschaltete, jeweils einen Festwiderstand (R1, R2) und einen Trimmtransistor (T1, T2) aufweisende elektronisch trimmbare Widerstände (W1, W2).
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellsignal einen pulsweitenmoduliertes Signal ist.
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei pulsweitenmodulierte Signale, jeweils zum Einstellen eines der beiden elektronisch trimmbaren Widerstände (W1, W2).
Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler (TF) zur Temperaturkompensation des Schaltabstandes über eine Variation des Einstellsignals.