DE102007045118B4

DE102007045118B4 - Induktiver Näherungsschalter und Kernspule für einen induktiven Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102007045118B4
Application number: DE102007045118.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Wölfle Albert; Michael Hamma
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: DE102007045118A1

Abstract

Induktiver Näherungsschalter mit einer Kernspule (1) und einer Ansteuer- und Auswerteschaltung, wobei die Kernspule (1) einen Kern (2) und eine Sendespule (3) umfaßt, durch Bestromung der Sendespule (3) mit einem Sendestrom ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist und mehrere magnetische Partialflüsse (4, 5, 6) des magnetischen Gesamtflusses durch mehrere Partialoberflächen (7, 8, 9,) des Kerns (1) hindurchtreten, wobei wenigstens ein erster Partialfluß (4) außerhalb der Kernspule (1) existent ist und dort durch ein Beeinflussungsobjekt (10) beeinflußbar ist, wobei wenigstens ein zweiter Partialfluß (5) im Innenraum der Kernspule (1) existent ist und der zweite Partialfluß (5) von außerhalb der Kernspule (1) im wesentlichen nicht beeinflußbar ist und wobei wenigstens eine erste Sensorspule (11a, 11b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses (4) über eine erste induzierte Spannung (UP1) ermittelbar ist, und daß wenigstens eine zweite Sensorspule (12a, 12b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses (5) über eine zweite induzierte Spannung (UP2) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der ermittelte Wert des zweiten Partialflusses (5) zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den zweiten Partialfluß (5) auswirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer Kernspule und einer Ansteuer- und Auswerteschaltung, wobei die Kernspule einen Kern und eine Sendespule umfaßt, durch Bestromung der Sendespule mit einem Sendestrom ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist und mehrere magnetische Partialflüsse des magnetischen Gesamtflusses durch mehrere Partialoberflächen des Kerns hindurchtreten, wobei wenigstens ein erster Partialfluß außerhalb der Kernspule existent ist und dort durch ein Beeinflussungsobjekt beeinflußbar ist, wobei wenigstens ein zweiter Partialfluß im Innenraum der Kernspule existent ist und der zweite Partialfluß von außerhalb der Kernspule her im wesentlichen nicht beeinflußbar ist und wenigstens eine erste Sensorspule vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses über eine erste induzierte Spannung ermittelbar ist, und daß wenigstens eine zweite Sensorspule vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses über eine zweite induzierte Spannung ermittelbar ist.
Induktive Näherungsschalter der in Rede stehende Art sind seit längerem bekannt und werden in der industriellen und gewerblichen Praxis eingesetzt, um die Näherung eines z. B. elektrisch leitfähigen Beeinflussungsobjektes über den Überwachungsbereich an den induktiven Näherungsschalter zu erkennen und ein entsprechendes Beeinflussungssignal bei Erreichen eines bestimmten Beeinflussungsabstandes - bei Näherungsschaltern auch Schaltabstand genannt - nach außen zu signalisieren, typischerweise durch Schließen oder Öffnen eines elektronischen Schalters.
Die Näherung eines Beeinflussungsobjektes an den Näherungsschalter wird durch die Änderung einer physikalischen Zustandsgröße erkannt, wobei der sogenannte Elementarsensor für die Bereitstellung dieser physikalischen Zustandsgröße erforderlich ist, der im vorliegenden Fall im wesentlichen durch die Kernspule gebildet wird. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung dient zur Anregung des Elementarsensors und zur Auswertung der Änderung der vom Elementarsensor zur Verfügung gestellten physikalischen Zustandsgröße. Typischerweise umfaßt die Ansteuer- und Auswerteschaltung eine Oszillatorschaltung, die zusammen mit dem Elementarsensor - hier also mit der Kernspule des Näherungssensors - einen Schwingkreis bildet, wobei Kenngrößen der Kernspule bzw. der Anordnung aus Kernspule und Beeinflussungsobjekt durch das leitende Beeinflussungsobjekt außerhalb der Kernspule - Überwachungsbereich des induktiven Näherungsschalters - beeinflußbar ist. Im Falle des induktiven Näherungsschalters bewirkt die Näherung eines leitfähigen Beeinflussungsobjektes, daß der sich außerhalb der Kernspule erstreckende erste Partialfluß einen Wirbelstrom in dem Beeinflussungsobjekt induziert, der dem elektromagnetischen Feld der Kernspule Energie entzieht und somit den Schwingkreis dämpft. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Beeinflussung des Schwingkreises auszuwerten, so kann beispielsweise die Veränderung der Amplitude der Oszillatorschwingung oder aber auch die Veränderung der Oszillatorfrequenz zur Beurteilung des Beeinflussungszustandes herangezogen werden.
Unabhängig davon, welche physikalische Größe nach welcher Methode zur Ermittlung des Beeinflussungszustandes des Näherungsschalters herangezogen und ausgewertet wird, gibt es bei der Verwendung von Kernspulen als Elementarsensor bestimmte - unerwünschte - Effekte, die zu einer Verfälschung der Auswerteergebnisse führen können bzw. zu Auswerteergebnissen führen, bei denen nicht ohne weiteres ersichtlich ist, ob diese Auswerteergebnisse auf einer gewollten Veränderung des magnetischen Flusses außerhalb der Kernspule basieren oder ob die Auswerteergebnisse - jedenfalls teilweise - auf Störeffekte zurückgehen. Es ist beispielsweise bekannt, daß sich die Kenngrößen der Kernspule mit der Zeit ändern können, was auf unterschiedlichen Ursachen beruht.
Die in einer Kernspule verwendete Sendespule besteht häufig aus einer Vielzahl von Windungen, die z. B. durch Back- oder Isolierlack miteinander mechanisch verbunden sind. Zwischen den benachbarten Windungen der Sendespule bilden sich parasitäre Kapazitäten aus, die sich in erheblichem Umfang ändern können, wenn der Back- oder Isolierlack im Laufe der Zeit an Festigkeit verliert oder durch Permeation von Wassermolekülen dielektrisch beeinflußt wird. Allein durch diesen Effekt können die ursprünglich eingestellten Schaltabstände eines induktiven Näherungsschalters erheblich verfälscht werden. Lageänderungen von einzelnen Windungen der Kernspule werden zusätzlich unterstützt durch die beim Spulenwickeln zwangsläufig auftretenden mechanischen Zugspannungen, die bei der gewickelten und fixierten Sendespule erhalten bleiben und so die geometrische Formtreue der Sendespule stets gefährden. Es wird versucht, unter anderem durch Spulenalterung hervorgerufene Störeffekte durch eine Vielzahl von Temperaturzyklen bei der Herstellung der Kernspule vorwegzunehmen, was jedoch aufwendig ist und erfahrungsgemäß auch keine Garantie für gleichbleibende elektrische Eigenschaften der Kernspule ist.
Ein anderes Problem ergibt sich aus der unterschiedlichen Einbaulage ein und desselben induktiven Näherungsschalters. Durch den Einsatz von Kernspulen, insbesondere von Kernspulen mit einem Ferrit-Schalenkern wird zwar eine ausgeprägte Richtcharakteristik des magnetischen Flusses in den Überwachungsbereich des induktiven Näherungsschalters erzielt, jedoch bildet sich immer ein Streufeld mit Partialflüssen aus, die nicht direkt über außerhalb des Näherungsschalters in den Kern der Kernspule zurückfließen, sondern über die Einbauumgebung des induktiven Näherungsschalters in die Kernspule zurückgeleitet werden. Je nach Material und Geometrie der Einbauumgebung ist der über den Weg der Einbauumgebung zurückgeleitete Partialfluß unterschiedlich groß. Dieser Effekt tritt insbesondere bei induktiven Näherungsschaltern auf, die für den bündigen Einbau vorgesehen sind, aber nicht flachbündig montiert werden, oder auch bei solchen Näherungsschaltern, die nicht für den bündigen Einbau vorgesehen sind, gleichwohl aber flachbündig montiert werden. Bei gleicher Bauform hat ein für den bündigen Einbau vorgesehener Näherungsschalter etwa den halben Bemessungsschaltabstand eines nicht bündig einzubauenden Näherungsschalters, da in diesem Schaltabstand die Vorbedämpfung durch die Umgebung schon mit berücksichtigt worden ist. Wird ein bündig einzubauender Näherungsschalter nicht bündig eingebaut, dann fehlt ihm diese Vorbedämpfung, wodurch sich sein Schaltabstand gegenüber dem bündigen Einbau verändert; dieser Effekt wird häufig als „Einbausprung“ bezeichnet.
Bei einem induktiven Näherungsschalter der in Rede stehenden Art ist es möglich, den ersten, außerhalb der Kernspule, also in den Überwachungsbereich des induktiven Näherungsschalters existenten Partialfluß und den zweiten, im Innenraum der Kernspule existenten Partialfluß separat voneinander zu ermitteln, wobei die erste Sensorspule nicht zwingend den gesamten ersten Partialfluß erfassen können muß und die zweite Sensorspule nicht zwingend den gesamten zweiten Partialfluß erfassen können muß. In erster Näherung ist es ausreichend, wenn bekannt ist, ein wie großer Teil des jeweiligen Partialflusses durch die jeweilige Sensorspule erfaßt werden kann, wobei es von Vorteil ist, daß die erfaßten Teile der jeweiligen Partialflüsse möglichst groß sind, da die Unwägbarkeiten - z. B. Inhomogenitäten innerhalb der jeweiligen Partialflüsse - mit zunehmendem Erfassungsgrad der Partialflüsse durch die Sensorspulen abnehmen.
Die Druckschrift EP 0 371 261 A2 offenbart ein Verfahren zum induktiven Erzeugen eines elektrischen Messsignals zum Detektieren eines elektrisch leitfähigen Körpers unter Verwendung von wenigstens zwei induktiv gekoppelten Spulen, Treiberspule und Sensorspule, von denen die Treiberspule von einem höher frequenten Wechselstrom durchflossen ist, der in der Sensorspule eine von der zu messenden Größe abhängige Spannung induziert und wobei ein dem Strom in der Treiberspule proportionales Referenzspannungssignal erzeugt wird und beide Spannungssignale zum Erhalt des Messsignals miteinander verknüpft werden.
Die Druckschrift DE 100 39 619 A1 offenbart einen induktiven Näherungssensor mit einem Schwingkreis. Der Schwingkreis weist eine erste Wicklung mit einer ersten Achse und eine zweite Wicklung mit einer zweiten Achse auf. Dabei ist die erste Wicklung elektromagnetisch mit der zweiten Wicklung verbunden, sind die Achsen nicht koaxial zueinander und umgibt eine leitende Hülle die beiden Wicklungen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile bei bekannten induktiven Näherungsschaltern und bei bekannten Kernspulen für induktive Näherungsschalter - zumindest teilweise - zu vermeiden, insbesondere den Einfluß der beschriebenen Störgrößen auf die Ermittlung des Beeinflussungszustands des Näherungsschalters zu minimieren.
Die aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei dem in Rede stehenden induktiven Näherungsschalter dadurch gelöst, dass die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der ermittelte Wert des zweiten Partialflusses zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den zweiten Partialfluß auswirken.
Da der zweite Partialfluß von außerhalb der Kernspule, also im Überwachungsbereich des Näherungsschalters, im wesentlichen nicht beeinflußbar ist, sich also auch bei unterschiedlichen Beeinflussungszuständen des induktiven Näherungsschalters nicht oder nur ganz unwesentlich ändert, lassen sich mit dem ermittelten Wert des zweiten Partialflusses ohne weiteres all jene Störungen kompensieren, die sich auf den zweiten Partialfluß auswirken, wozu insbesondere Störungen des Sendestromes zählen, aber auch Störungen, die im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften der Sendespule stehen und sich insbesondere auf den zweiten Partialfluß auswirken.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine dritte Sensorspule vorgesehen, über die zumindest ein Teil eines - zumindest auch - von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialflusses über eine dritte induzierte Spannung ermittelbar ist. Dadurch, daß jener Partialfluß - oder ein bekannter Teil dieses Partialflusses - durch die dritte Sensorspule ermittelbar ist, der von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängt, sind grundsätzlich Veränderungen in dem Partialfluß-Gefüge erkennbar, die auf eine Änderung der Einbaulage zurückzuführen sind, so daß mit dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter Einflüsse der Einbaulage von anderen Einflüssen unterschieden werden können und daher Einflüsse der Einbaulage grundsätzlich in der Messung kompensierbar sind. Aus diesem Grund ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet, daß der ermittelte Wert des dritten Partialflusses zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den dritten Partialfluß auswirken.
Wenn zuvor gesagt worden, daß der dritte Partialfluß zumindest auch von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängig ist, so ist damit gemeint, daß dieser dritte Partialfluß möglicherweise auch von anderen Randbedingungen abhängig ist. Im allgemeinen Fall ist der dritte - also über die Einbauumgebung des induktiven Näherungsschalters in die Kernspule zurückkehrende - Partialfluß auch einer Beeinflussung im Überwachungsbereich des induktiven Näherungsschalters durch das Beeinflussungsobjekt ausgesetzt. Dies hat den Nachteil, daß durch Erfassung des dritten Partialflusses über die dritte Sensorspule nicht eindeutig unterscheidbar ist, ob eine erfaßte Änderung des dritten Partialflusses auf eine Änderung in der Einbaulage oder eine Änderung im Beeinflussungszustand des Näherungsschalters zurückzuführen ist. Um eine solche Unterscheidung treffen zu können, ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters vorgesehen, daß eine Kompensations-Sendespule im wesentlichen im Überdeckungsbereich der dritten Sensorspule vorgesehen ist und zumindest von einem Teil des Sendestroms durchströmt wird, so daß ein möglicher zusätzlicher, von außerhalb der Kernspule herrührender Einfluß auf den dritten Partialfluß von dem auf der Einbaulage des Näherungsschalters beruhenden Einfluß auf den dritten Partialfluß unterscheidbar ist. Durch den zusätzlich erzeugten Partialfluß der Kompensations-Sendespule ist eine selektive Kompensation des Einflusses der Einbauumgebung möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß die erste Sensorspule und/oder die zweite Sensorspule und/oder die dritte Sensorspule und/oder die Kompensations-Sendespule planar auf wenigstens einem Leiterfilm aufgebracht sind / ist, wobei sich der Leiterfilm im Einbauzustand an den Kern der Kernspule anschmiegt, insbesondere jedoch im Bereich der Partialoberflächen des Kerns, durch die die magnetischen und zu erfassenden Partialflüsse hindurchtreten. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensorspulen direkt auf dem Kern der Kernspule aufgebracht oder in die Oberfläche des Kerns eingebracht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die erste Sensorspule und die zweite Sensorspule so ausgelegt, daß im unbeeinflußten Zustand des Näherungsschalters die erste induzierte Spannung und die zweite induzierte Spannung im wesentlichen gleich groß sind. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft, die sich dadurch auszeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der Beeinflussungszustand des Näherungsschalters aus der Differenz der ersten induzierten Spannung und der zweiten induzierten Spannung ermittelt werden kann, was wie folgt erklärbar ist:

Mit UPi(∞) wird die induzierte Spannung an der i-ten Sensorspule im unbeeinflußten Zustand des induktiven Näherungsschalters bezeichnet, also wenn das Beeinflussungsobjekt „unendlich“ weit von dem Näherungsschalter entfernt ist. Mit UPi(x) wird die i-te induzierte Spannung an der i-ten Sensorspule verstanden im Beeinflussungszustand des induktiven Näherungsschalters, also wenn das Beeinflussungsobjekt sich bis auf einen Abstand x an den Näherungsschalter genähert hat. Unter der Voraussetzung, daß die erste Sensorspule und die zweite Sensorspule so dimensioniert sind, daß sie im unbeeinflußten Zustand im wesentlichen gleich große Spannungen induzieren, gilt: $U P 1 (\infty) - U P 2 (\infty) = 0$

Unter Berücksichtigung der Vorgabe, daß der zweite Partialfluß im wesentlichen unabhängig ist von dem Beeinflussungszustand des induktiven Näherungsschalters, kann mit dem Signal gemäß Gleichung 2 der reine Bedämpfungseffekt zur Auswertung kommen: $Δ U P (x) = U P 1 (x) - U P 2 (\infty)$
Von Interesse ist hier, daß bei der Verwendung des Differenzsignals gemäß Gleichung (2) die effektive Empfindlichkeit E des Differenzsignals vermindert ist gegenüber der Empfindlichkeit der ersten induzierten Spannung UP1(x), wenn diese alleine zur Messung herangezogen würde. Für die Empfindlich-keit E1 der ersten induzierten Spannung UP1(x) gilt: $E 1 = \frac{U P 1 (x) - U P 1 (\infty)}{U P 1 (\infty)},$
und für die Empfindlichkeit E2 der zweiten induzierten Spannung UP2(x) gilt entsprechend $E 2 = \frac{U P 2 (x) - U P 2 (\infty)}{U P 2 (\infty)} .$
Unter Berücksichtigung von Gleichung (1) folgt für die eigentlich interessierende Empfindlichkeit E des Differenzsignals gemäß Gleichung (2): $E = E 1 - E 2 = \frac{U P 1 (x) - U P 2 (x)}{U P 1 (\infty)} .$
Bei üblichen Kernspulen, nämlich solchen, die mit einem Ferrit-Schalenkern ausgeführt sind, werden für die Empfindlichkeit der ersten induzierten Spannung Werte erreicht von E1 = 1 % und für die Empfindlichkeit der zweiten induzierten Spannung E2 = 0,1 %, woraus für das Differenzsignal eine Empfindlichkeit folgt von E = 0,9 %. Bemerkenswert ist hieran, daß die Empfindlichkeit E zwar gegenüber der Empfindlichkeit E1 vermindert ist, jedoch mit dem Vorteil, daß das Differenzsignal gemäß Gleichung (2) vollkommen störsignalkompensiert ist!
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kernspule, insbesondere zur Verwendung mit einem der zuvor beschriebenen induktiven Näherungsschalter, mit einem Kern und einer Sendespule, wobei durch Bestromung der Sendespule ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist und mehrere magnetische Partialflüsse des magnetischen Gesamtflusses durch mehrere Partialoberflächen des Kerns hindurchtreten, wobei wenigstens ein erster Partialfluß außerhalb der Kernspule existent und dort beeinflußbar ist, wobei sich wenigstens ein zweiter Partialfluß im Innenraum der Kernspule existiert und der zweite Partialfluß von außerhalb der Kernspule im wesentlichen nicht beeinflußbar ist und wobei wenigstens eine erste Sensorspule vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses über eine erste induzierte Spannung ermittelbar ist, und daß wenigstens eine zweite Sensorspule vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses über eine zweite induzierte Spannung ermittelbar ist.
Die aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei der in Rede stehenden Kernspule dadurch gelöst, daß die erste Sensorspule und/oder die zweite Sensorspule auf einem Leiterfilm aufgebracht sind / ist, wobei sich der Leiterfilm im Einbauzustand an den Kern anschmiegt.
In einer Ausgestaltung der Kernspule ist vorgesehen, daß sich der Leiterfilm im Einbauzustand im Bereich der Partialoberflächen des Kerns, durch die die magnetischen Partialflüsse hindurchtreten, an den Kern anschmiegt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine dritte Sensorspule vorgesehen ist, über die zumindest ein Teil eines - zumindest auch - von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialflusses über eine dritte induzierte Spannung ermittelbar ist, und daß die dritte Sensorspule auf dem Leiterfilm aufgebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine Kompensations-Sendespule im wesentlichen im Überdeckungsbereich der dritten Sensorspule vorgesehen ist und zumindest von einem Teil des Sendestroms durchströmt wird, so daß ein möglicher zusätzlicher, vom Außenraum herrührender Einfluß auf den dritten Partialfluß von dem auf der Einbaulage des Näherungsschalters beruhenden Einfluß auf den dritten Partialfluß unterscheidbar ist, und daß die Kompensations-Sendespule auf dem Leiterfilm aufgebracht ist.
In weiteren Ausgestaltungen ist die Kernspule so ausgestaltet, wie die Kernspulen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Näherungsschalters.
Im einzelnen gibt es noch eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter und die erfindungsgemäße Kernspule auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine Schnittdarstellung durch eine bekannte Kernspule mit angedeuteten magnetischen Partialflüssen,
2 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts aus einer Kernspule eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters im Beeinflussungszustand,
3 die Draufsicht auf die erste, zweite und dritte Sensorspule (jeweils eine offene Windung) der Kernspule gemäß 2,
4 eine Schnittdarstellung durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer Kernspule eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,
5 eine Draufsicht auf die erste, zweite und dritte Sensorspule, korrespondierend zur Darstellung in 4; die einzelnen Windungen können im Unterschied zu den Sensorspulen nach 3 galvanisch voneinander getrennt sein,
6 eine Schnittdarstellung durch einen Teil einer dritten Ausführungsform einer Kernspule eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit einer Kompensations-Sendespule (eine Windung) und einer zu ihr konzentrischen Sensorspule,
7 eine Draufsicht auf die erste, zweite und dritte Sensorspule, wobei sich die dritte Sensorspule, als Linie dargestellt, im montierten Zustand hufeisenförmig um die aktive Fläche des Kerns schmiegt, sowie auf die Kompensations-Sendespule des induktiven Näherungsschalters gemäß 6.

In 1 ist eine an sich aus dem Stand der Technik bekannte Kernspule 1 eines induktiven Näherungsschalters dargestellt, der üblicherweise eine Ansteuer- und Auswerteschaltung aufweist, die in keiner der 1 bis 7 näher dargestellt ist und deren genaue Ausführung im vorliegenden Fall auch nicht von Interesse ist.
Die Kernspule 1 weist einen Kern 2 und eine Sendespule 3 auf, wobei durch Bestromung der Sendespule 3 mit einem Sendestrom ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist. Durch den magnetisch gut leitfähigen Kern 2 der Kernspule 1, der in allen dargestellten Ausführungsbeispielen nach oben geöffnet ist, wird eine Richtcharakteristik des erzeugten Gesamtflusses erzielt, so daß weniger magnetischer Fluß unterhalb der dargestellten Kernspulen 1 resultiert. Exemplarisch sind mehrere magnetische Partialflüsse 4, 5, 6 dargestellt, die Bestandteile des magnetischen Gesamtflusses sind, im vorliegenden Fall jedoch nicht zwingend den magnetischen Gesamtfluß in Gänze ausmachen müssen. Die magnetischen Partialflüsse 4, 5, 6 treten durch mehrere Partialoberflächen 7, 8, 9 des Kerns 2 hindurch, wobei sich wenigstens ein erster Partialfluß 4 nach oben, also in den Überwachungsbereich des induktiven Näherungsschalters erstreckt. Ein Beeinflussungsobjekt 10, das in den 2, 4 und 7 dargestellt ist, beeinflußt den Verlauf des ersten magnetischen Partialflusses 4 und entzieht dem von der Kernspule 1 emittierten elektromagnetischen Feld insgesamt durch induzierte Wirbelströme - sofern das Beeinflussungsobjekt 10 leitfähig ist - Energie, wobei diese Rückwirkung auf das insgesamt elektromagnetische Feld von der - nicht dargestellten - Ansteuer- und Auswerteschaltung detektiert werden kann.
Die Sendespule 3 besteht aus einer Vielzahl von nicht im einzelnen dargestellten Windungen, wobei diese Windungen gegeneinander isoliert und gegeneinander fixiert sind, im vorliegenden Fall durch Isolierlack. Wenn der Isolierlack im Laufe der Zeit an Festigkeit verliert, können sich die einzelnen Windungen der Sendespule 3 gegeneinander verschieben, so daß sich die zwischen den einzelnen Windungen ausgebildeten parasitären Kapazitäten verändern, und mit ihnen verändern sich insgesamt die elektrischen Eigenschaften der Sendespule 3. Aufgrund der immer etwas voneinander beabstandeten Windungen der Sendespule 3 existiert auch immer ein zweiter magnetischer Partialfluß 5 im Innenraum der Kernspule 1, wobei der zweite Partialfluß 5 außerhalb der Kerrnspule 1 im wesentlichen nicht beeinflußbar ist, also beispielsweise nicht merklich beeinflußbar ist durch das Beeinflussungsobjekt 10, das an die Frontseite der Kernspule 1 angenähert wird. Der Anteil des zweiten Partialflusses 5 am magnetischen Gesamtfluß bzw. das Verhältnis des zweiten Partialflusses 5 zu dem ersten Partialfluß 4 kann sich z. B. in Folge der zuvor beschriebenen Alterungseffekte der Kernspule 1 ändern, so daß sich auch ein eingestellter Schaltabstand des induktiven Näherungsschalters zwangsläufig ändert, was zu vermeiden ist.
In den 2 bis 7 sind Kernspulen 1 bzw. Bestandteile von Kernspulen 1 erfindungsgemäßer induktiver Näherungsschalter gezeigt. Bei der in 2 dargestellten Kernspule 1 ist eine erste Sensorspule 11a, 11b vorgesehen, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses 4 über eine erste induzierte Spannung UP1 ermittelbar ist. Ferner ist eine zweite Sensorspule 12a, 12b vorgesehen, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses 5 über eine zweite induzierte Spannung UP2 ermittelbar ist. Die so ausgestaltete und in ähnlicher Weise auch in den 4 und 7 dargestellte Kernspule 1 ermöglicht es, den ersten magnetischen Partialfluß 4 und den zweiten magnetischen Partialfluß 5 separat und damit unterscheidbar voneinander zu ermitteln, so daß grundsätzlich die Möglichkeit besteht z. B. Veränderungen in den Partialflüssen und Auswirkungen einzelner Partialflüsse auf das Auswerteergebnis zu kompensieren.
Die nicht dargestellten Ansteuer- und Auswerteschaltungen der induktiven Näherungsschalter sind so eingerichtet, daß der ermittelte Wert des zweiten Partialflusses 5 zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den zweiten Partialfluß 5 auswirken. Dies sind insbesondere Störungen, die durch den Sendestrom transportiert und übermittelt werden.
Bei den Kernspulen 1 der induktiven Näherungsschalter gemäß den 2, 4 und 6 ist ferner eine dritte Sensorspule 13a, 13b vorgesehen, über die zumindest ein Teil eines - zumindest auch - von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialflusses 6 über eine dritte induzierte Spannung UP3 ermittelbar ist. Diese Maßnahme ermöglicht es auch, jene magnetischen Partialflüsse zu erkennen und quantitativ zu bestimmen, die sich aufgrund der Einbaulage des induktiven Näherungsschalters ergeben und verändern; dies ist der in 2 dargestellte dritte magnetische Partialfluß 6. Nur angedeutet ist in den 2, 4 und 6 die Einbauumgebung 14 des induktiven Näherungsschalters, durch die bei bündigem Einbau des induktiven Näherungsschalters eine Vorbedämpfung des Schwingkreises erfolgt, zu dem die dargestellte Kernspule 1 gehört. Diese Vorbedämpfung ist nicht - oder nicht in dem Maße - gegeben, wenn der gleiche induktive Näherungsschalter nicht bündig, sondern aufgesetzt auf die Einbauumgebung 14 montiert wird. Dadurch, daß die dritte Sensorspule 13a, 13b den von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialfluß 6 über eine dritte induzierte Spannung UP3 meßtechnisch ermitteln kann, ist es mit den dargestellten induktiven Näherungsschaltern möglich, den Einfluß der Einbaulage des induktiven Näherungsschalters zu ermitteln und die meßtechnisch gewonnenen Größen UP1, UP2 und UP3 richtig zu interpretieren. Die Ansteuer- und Auswerteschaltungen sind daher so eingerichtet, daß der ermittelte Wert des dritten Partialflusses 6 zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den dritten Partialfluß 6 auswirken, wie z. B. die Einbaulage des induktiven Näherungsschalters.
In den 1 und 2 ist zu erkennen, daß der dritte Partialfluß 6 nicht alleine von der Einbaulage des induktiven Näherungsschalters abhängt, sondern vielmehr auch abhängig ist von dem Beeinflussungszustand des induktiven Näherungsschalters, da der über die Einbauumgebung 14 geleitete dritte magnetische Partialfluß 6 auch durch das Beeinflussungsobjekt 10 beeinflußbar ist. In diesem Fall ist also nicht ohne weiteres erkennbar, ob eine Änderung des dritten magnetischen Partialflusses 6 auf eine Änderung des Beeinflussungszustandes oder eine Änderung der Einbaulage des induktiven Näherungsschalters zurückgeht. Um dieses Problem zu lösen, sind die in den 4 und 6 dargestellten Kernspulen 1 der induktiven Näherungsschalter so ausgestaltet, daß eine Kompensations-Sendespule 15a, 15b im wesentlichen im Überdeckungsbereich der dritten Sensorspule 13a, 13b vorgesehen ist und zumindest von einem Teil des Sendestroms bestromt wird, so daß ein möglicher zusätzlicher von außerhalb der Kernspule 1 herrührender Einfluß auf den dritten Partialfluß 6 von dem auf der Einbaulage des Näherungsschalters beruhenden Einfluß auf den dritten Partialfluß 6 unterscheidbar ist.
Hingewiesen sei darauf, daß die Spannung UP3 bei der Ausführungsform nach 7 nicht identisch ist mit der Spannung UP3 bei den Ausführungsformen nach den 3 und 5. Ursache dafür sind die zusätzlichen Spule 15a und 15b.
Wie anhand der 2 bis 7 erkennbar ist, sind die erste Sensorspule 11a, 11b und die zweite Sensorspule 12a, 12b und die dritte Sensorspule 13a, 13b wie auch die Kompensations-Sendespule 15a, 15b einschleifig ausgeführt, was den Vorteil mit sich bringt, daß sich keine parasitären Kapazitäten zwischen eng benachbarten Windungen der jeweiligen Spulen ausbilden können, denn die Effekte dieser Kapazitäten wären selbst nicht kompensierbar. Sie können selbstverständlich auch aus mehreren Windungen in einer Ebene bestehen, um eine höhere Spannung zu liefern.
Anhand der 2 bis 7 ist erkennbar, daß die erste Sensorspule 11a, 11b und die zweite Sensorspule 12a, 12b und die dritte Sensorspule 13a, 13b wie auch die Kompensations-Sendespule 15a, 15b auf Leiterfilmen 16 realisiert sind, wobei sich der Leiterfilm 16 im Einbauzustand an den Kern 2 der Kernspule 1 anschmiegt, insbesondere im Bereich der Partialoberflächen 7, 8, 9 des Kerns 2, durch die die magnetischen Partialflüsse 4, 5, 6 hindurchtreten. Bei der Kernspule 1 gemäß den 2 und 3 sind die Sensorspulen 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b insgesamt auf zwei verschiedene Leiterfilme 16 aufgebracht, so daß sich ein erster Teil des Leiterfilms 16 an die innere Partialoberfläche 7 der Kernspule 1 anschmiegt und sich der zweite Teil des Leiterfilms 16 von außen an die Partialoberfläche 9 der Kernspule 1 anschmiegt. Die erste Sensorspule 11a, 11b ist nicht mit einer separaten Leiterschleife auf einem separaten Leiterfilm 16 realisiert, sondern ergibt sich aus der Nutzung eines ersten Teils 12a der zweiten Sensorspule 12a, 12b und eines Teils 13b der dritten Sensorspule 13a, 13b, wobei die beiden Teile der ersten Sensorspule 11a, 11b und der dritten Sensorspule 13a, 13b durch einen leitenden Steg 17 miteinander verbunden sind. Demgegenüber sind die Sensorspulen 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b in den dargestellten Ausführungsbeispielen gemäß den 4 bis 7 auf einem einzigen Leiterfilm 16 realisiert, wobei jede der Spulen separat ausgeführt ist.
Anhand der 6 und 7 ist deutlich zu erkennen, daß die Kompensations-Sendespule 15a, 15b die dritte Sensorspule 13a, 13b im wesentlichen überdeckt und somit ihre Kompensationswirkung in größtmöglichem Umfang entfalten kann. Es ist aber auch denkbar, daß die Kompensations-Sendespule 15a, 15b und die dritte Sensorspule 13a, 13b ihre Rollen tauschen.
Bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Kern 2 der Kernspule 1 ein Ferrit-Schalenkern mit einem Mittelbutzen 18, einem Schalenboden 19 und einer Schalenwand 20, wobei die erste Partialoberfläche 7 des Kerns 2 - auch aktive Fläche genannt - im wesentlichen durch die Stirnfläche der Schalenwand 20 gebildet ist, die zweite Partialoberfläche 8 des Kerns 2 im wesentlichen durch die Innenfläche der Schalenwand 20 gebildet ist und die dritte Partialoberfläche 9 des Kerns 2 im wesentlichen durch die Außenfläche der Schalenwand 20 gebildet ist.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die erste Sensorspule 11a, 11b und die zweite Sensorspule 12a, 12b so ausgelegt sind, daß im unbeeinflußten Zustand des Näherungsschalters die erste induzierte Spannung UP1 und die zweite induzierte Spannung UP2 im wesentlichen gleich groß sind. Unter dieser Voraussetzung bringt der Umstand besondere Vorteile, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltungen der beschriebenen induktiven Näherungsschalter so eingerichtet sind, daß der Beeinflussungszustand des Näherungsschalters aus der Differenz der ersten induzierten Spannung UP1 und der zweiten induzierten Spannung UP2 ermittelt werden kann. Wie zuvor erläutert worden ist, ist in diesem Fall das Meßergebnis frei von den hier meßtechnisch erfaßten Störgrößen.
Bezugszeichenliste

1.: Kernspule
2.: Kern
3.: Sendespule
4.: erster magnetischer Partialfluß
5.: zweiter magnetischer Partialfluß
6.: dritter magnetischer Partialfluß
7.: erste Partialoberfläche des Kerns
8.: zweite Partialoberfläche des Kerns
9.: dritte Partialoberfläche des Kerns
10.: Beeinflussungsobjekt
11a, 11b: erste Sensorspule
12a, 12b: zweite Sensorspule
13a, 13b: dritte Sensorspule
14.: Gehäuse der Einbauumgebung
15a,15b: Kompensations-Sendespule
16.: Leiterfilm
17.: leitender Steg
18.: Mittelbutzen
19.: Schalenboden
20.: Schalenwand
UP1: erste induzierte Spannung
UP2: zweite induzierte Spannung
UP3: dritte induzierte Spannung

Claims

Induktiver Näherungsschalter mit einer Kernspule (1) und einer Ansteuer- und Auswerteschaltung, wobei die Kernspule (1) einen Kern (2) und eine Sendespule (3) umfaßt, durch Bestromung der Sendespule (3) mit einem Sendestrom ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist und mehrere magnetische Partialflüsse (4, 5, 6) des magnetischen Gesamtflusses durch mehrere Partialoberflächen (7, 8, 9,) des Kerns (1) hindurchtreten, wobei wenigstens ein erster Partialfluß (4) außerhalb der Kernspule (1) existent ist und dort durch ein Beeinflussungsobjekt (10) beeinflußbar ist, wobei wenigstens ein zweiter Partialfluß (5) im Innenraum der Kernspule (1) existent ist und der zweite Partialfluß (5) von außerhalb der Kernspule (1) im wesentlichen nicht beeinflußbar ist und wobei wenigstens eine erste Sensorspule (11a, 11b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses (4) über eine erste induzierte Spannung (UP1) ermittelbar ist, und daß wenigstens eine zweite Sensorspule (12a, 12b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses (5) über eine zweite induzierte Spannung (UP2) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der ermittelte Wert des zweiten Partialflusses (5) zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den zweiten Partialfluß (5) auswirken.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Sensorspule (13a, 13b) vorgesehen ist, über die zumindest ein Teil eines - zumindest auch - von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialflusses (6) über eine dritte induzierte Spannung (UP3) ermittelbar ist.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der ermittelte Wert des dritten Partialflusses (6) zur Kompensation von Störgrößen verwendbar ist, die sich auf den dritten Partialfluß (6) auswirken.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensations-Sendespule (15a, 15b) im wesentlichen im Überdeckungsbereich der dritten Sensorspule (13a, 13b) vorgesehen ist und zumindest von einem Teil des Sendestroms durchströmt wird, so daß ein möglicher zusätzlicher, vom Außenraum herrührender Einfluß auf den dritten Partialfluß (6) von dem auf der Einbaulage des Näherungsschalters beruhenden Einfluß auf den dritten Partialfluß (6) unterscheidbar ist.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die erste Sensorspule (11a, 11b) und/oder die zweite Sensorspule (12a, 12b) und/oder die dritte Sensorspule (13a, 13b) und/oder die Kompensations-Sendespule (15a, 15b) einschleifig ausgeführt sind/ist.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sensorspule (11a, 11b) und/oder die zweite Sensorspule (12a, 12b) und/oder die dritte Sensorspule (13a, 13b) und/oder die Kompensations-Sendespule (15a, 15b) auf einem Leiterfilm (16) aufgebracht sind / ist, wobei sich der Leiterfilm (16) im Einbauzustand an den Kern (2) anschmiegt.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Leiterfilm (16) im Einbauzustand an den Kern (2) im Bereich der Partialoberflächen (7, 8, 9) des Kerns (2), durch die die magnetischen Partialflüsse (4, 5, 6) hindurchtreten, anschmiegt.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) der Kernspule (1) ein Ferrit-Schalenkern ist mit einem Mittelbutzen (18), einem Schalenboden (19) und einer Schalenwand (20), wobei die erste Partialoberfläche (7) des Kerns (2) im wesentlichen durch die Stirnfläche der Schalenwand (20) gebildet ist, die zweite Partialoberfläche (8) des Kerns (2) im wesentlichen durch die Innenfläche der Schalenwand (20) gebildet ist und die dritte Partialoberfläche (9) des Kerns (2) im wesentlichen durch die Außenfläche der Schalenwand (20) gebildet ist.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sensorspule (11a, 11b) und die zweite Sensorspule (12a, 12b) so ausgelegt sind, daß im unbeeinflußten Zustand des Näherungsschalters die erste induzierte Spannung (UP1) und die zweite induzierte Spannung (UP2) im wesentlichen gleich groß sind.
Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuer- und Auswerteschaltung so eingerichtet ist, daß der Beeinflussungszustand des Näherungsschalters aus der Differenz der ersten induzierten Spannung (UP1) und der zweiten induzierten Spannung (UP2) ermittelt werden kann.
Kernspule mit einem Kern (2) und einer Sendespule (3), wobei durch Bestromung der Sendespule (3) ein magnetischer Gesamtfluß erzeugbar ist und mehrere magnetische Partialflüsse (4, 5, 6) des magnetischen Gesamtflusses durch mehrere Partialoberflächen (7, 8, 9) des Kerns hindurchtreten, wobei wenigstens ein erster Partialfluß (4) außerhalb der Kernspule (1) existent und dort beeinflußbar ist, wobei sich wenigstens ein zweiter Partialfluß (5) im Innenraum der Kernspule (1) existiert und der zweite Partialfluß (5) von außerhalb der Kernspule (1) im wesentlichen nicht beeinflußbar ist und wobei wenigstens eine erste Sensorspule (11a, 11b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des ersten Partialflusses (4) über eine erste induzierte Spannung (UP1) ermittelbar ist, und daß wenigstens eine zweite Sensorspule (12a, 12b) vorgesehen ist, mit der zumindest ein Teil des zweiten Partialflusses (5) über eine zweite induzierte Spannung (UP2) ermittelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sensorspule (11a, 11b) und/oder die zweite Sensorspule (12a, 12b) auf einem Leiterfilm (16) aufgebracht sind / ist, wobei sich der Leiterfilm (16) im Einbauzustand an den Kern (2) anschmiegt.
Kernspule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernspule zur Verwendung bei einem induktiven Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Kernspule nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Leiterfilm (16) im Einbauzustand im Bereich der Partialoberflächen (7, 8, 9) des Kerns (2), durch die die magnetischen Partialflüsse (4, 5, 6) hindurchtreten, an den Kern (2) anschmiegt.
Kernspule nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Sensorspule (13a, 13b) vorgesehen ist, über die zumindest ein Teil eines - zumindest auch - von der Einbaulage des Näherungsschalters abhängigen dritten Partialflusses (6) über eine dritte induzierte Spannung (UP3) ermittelbar ist, und daß die dritte Sensorspule (13a, 13b) auf dem Leiterfilm (16) aufgebracht ist.
Kernspule nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensations-Sendespule (15a, 15b) im wesentlichen im Überdeckungsbereich der dritten Sensorspule (13a, 13b) vorgesehen ist und zumindest von einem Teil des Sendestroms durchströmt wird, so daß ein möglicher zusätzlicher, vom Außenraum herrührender Einfluß auf den dritten Partialfluß (6) von dem auf der Einbaulage des Näherungsschalters beruhenden Einfluß auf den dritten Partialfluß (6) unterscheidbar ist, und daß die Kompensations-Sendespule (15a, 15b) auf dem Leiterfilm (16) aufgebracht ist.
Kernspule nach einem der Ansprüche 11 bis 15 gekennzeichnet durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils wenigstens eines der Ansprüche 5, 8 und 9.