DE102009028619A1

DE102009028619A1 - Inductive proximity switch, has receiver coils arranged so that signal voltages induced from excitation field of transmitting coil of oscillator are compensated at output of free-running double push-pull mixer in unattenuated condition

Info

Publication number: DE102009028619A1
Application number: DE102009028619A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Teichmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2010-03-11
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: DE102009028619B4

Abstract

The switch has a free-running double push-pull mixer (3) including a differential circuit (1) and a push-pull oscillator (2), where receiver coils are connected with inputs of the differential circuit. The receiver coils are arranged such that signal voltages induced from an excitation field of a transmitting coil of the oscillator are compensated at an output of the mixer in an unattenuated condition. The receiver coils are connected parallel to each other and include a controllable attenuation unit with a control transistor, which is connected with a control and evaluation unit (4). An independent claim is also included for a method for operating an inductive proximity switch.

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a non-contact inductive Proximity switch according to the preamble of the claim 1.

Nach dem transformatorischen Prinzip arbeitende induktive Näherungsschalter sind seit langem bekannt, und werden inzwischen in großen Stückzahlen hergestellt. Sie werden sowohl mit festem als auch mit einstellbarem Schaltabstand angeboten.To the inductive proximity switch working on the transformer principle have long been known, and are now in large Quantities produced. They are both solid and offered with adjustable switching distance.

Das Funktionsprinzip besteht darin, dass mindestens eine Sende- und eine Empfangsspule vorhanden ist. Die beiden Spulen sind induktiv gekoppelt. Als Messgröße dient der transformatorische Koppelfaktor zwischen diesen beiden Spulen. Gelangen leitfähige Objekte, die auch als Auslöser oder Steuerfahne bezeichnet werden, in die Nähe der Sendespule, so werden Wirbelströme induziert, die dem System Energie entziehen. Abhängig von der konkreten Ausführungsform wird das Schaltsignal ausgelöst, wenn die Amplitude über der Oszillatorspule oder der Empfangsspule einen bestimmten Wert erreicht bzw. unterschreitet. Zur Bewertung der Amplitude wird das Hochfrequenzsignal gleichgerichtet, geglättet und anschließend einem Komparator zugeführt.The The operating principle is that at least one transmission and a receiving coil is present. The two coils are inductive coupled. The transformer used is the transformer coupling factor between these two coils. Get conductive objects, which are also called trigger or control flag, in the vicinity of the transmitting coil, so are eddy currents induced, which withdraw energy from the system. Depending on the concrete embodiment, the switching signal is triggered, if the amplitude is above the oscillator coil or the receiver coil reaches or falls below a certain value. For evaluation the amplitude is rectified, smoothed, the radio frequency signal and then fed to a comparator.

In der Vergangenheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den gewünschten Schaltabstand im Fertigungsprozess mit einem Abgleichwiderstand Ra einzustellen. Um ein teures Potentiometer einzusparen, wurde der benötigte Widerstandswert des Abgleichwiderstandes durch Materialabtrag durch Sandstrahlen oder mit Hilfe von Lasern eingestellt. Nachteilig war, dass Sand oder Abbrand in das Gerät gelangen konnten. Außerdem musste der Abgleichvorgang vor dem endgültigen Verschluss des Gerätes erfolgen.In In the past, it has proven to be advantageous to the desired Sensing distance in the manufacturing process with a balancing resistor Ra adjust. To save an expensive potentiometer, was the required resistance of the balancing resistor by removal of material by sandblasting or with the help of lasers set. The disadvantage was that sand or burned into the device could. In addition, the adjustment process had to be done before the final Closure of the device done.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurden auch im fertig montierten Zustand von außen beeinflussbare Widerstandsnetzwerke eingesetzt. Neben dem irreversiblen ”Durchbrennen” von Schmelzsicherungen wurden in einen Datenspeicher, vorzugsweise in einem EEPROM, Bitmuster abgelegt, und über Schaltelemente auf die Widerstandsmatrix übertragen. Der Abgleich im fertig montierten und vergossenen Zustand ist nicht nur sauberer, sondern berücksichtigt auch noch die bei der Montage und dem Verguss auftretenden Einflüsse. Eine Zusammenfassung gängiger Methoden findet man in DE4123828C1 .In order to avoid this disadvantage, externally modifiable resistance networks were used even in the assembled state. In addition to the irreversible "blowing through" of fuses, bit patterns were stored in a data memory, preferably in an EEPROM, and transmitted to the resistance matrix via switching elements. The adjustment in the ready assembled and potted state is not only cleaner, but also takes into account the influences occurring during assembly and potting. A summary of common methods can be found in DE4123828C1 ,

Das erfordert allerdings einen ganze Reihe von zusätzlichen Bauelementen, die nicht nur Platz im Gerät benötigen, sondern auch Materialkosten verursachen. Das ist besonders unbefriedigend, weil es um die Grundeinstellung des Schaltabstands am Ende des Fertigungsprozesses geht. Bei Geräten mit fest eingestelltem Schaltabstand wird die o. g. Widerstandsmatrix während der gesamten Betriebszeit des Gerätes nicht mehr verändert. Aber auch bei Geräten mit einstellbarem Schaltabstand besteht der Wunsch nach Reduzierung des Materialeinsatzes, zumal jedes Bauelement auch eine potentielle Fehlerquelle darstellt. Materialkosten lassen sich sowohl durch die Reduzierung der Anzahl der benötigten Bauelemente als auch durch den Einsatz von gröber tolerierten Bauelementen senken. Um diesen Kostenvorteil zu bewahren, müssen die gröber tolerierten Bauelement reibungslos verarbeitet werden. Ein wichtiger Aspekt ist der effektive; d. h. schnelle Abgleich des Schaltabstandes am Ende des Fertigungsprozesses. Daraus resultiert die Forderung nach effektiven Abgleichmethoden, aber auch nach weniger toleranzempfindlichen Schaltungen.The however, requires a whole lot of extra Components that not only need space in the device, but also cause material costs. This is especially unsatisfactory because it is about the basic setting of the switching distance at the end of the manufacturing process goes. For devices with fixed switching distance will the o. g. Resistance matrix during the entire operating time of the device is not changed. But also at Devices with adjustable switching distance there is a desire for Reduction in the use of materials, especially since every component also has one represents potential source of error. Material costs can be both by reducing the number of required components as also through the use of coarser tolerated components reduce. To preserve this cost advantage, the coarser tolerated component can be processed smoothly. An important aspect is the effective one; d. H. fast adjustment the switching distance at the end of the manufacturing process. This results the demand for effective matching methods, but also for less tolerance sensitive circuits.

Um die Empfindlichkeit zu erhöhen, und gleichzeitig unerwünschte Einflüsse zu unterdrücken, wird in DE4031252C1 vorgeschlagen, zwei Empfangsspulen in unmittelbarer Differenzschaltung zu betreiben. Die beiden Empfangsspulen liegen im Rückkopplungszweig eines Meißner-Oszillators. Bewertet wird die Oszillatoramplitude. Der Schaltabstand wird erreicht, wenn sich auf Grund der Wechselwirkung mit einem metallischen Auslöser die Differenzwechselspannungen der beide Spulen aufheben. In diesen Falle ändert der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft. Die Anordnung ist sehr empfindlich. Anderseits leuchtet ein, dass die Toleranzen der beiden Empfangsspulen einen großen Einfluss auf den Schaltabstand haben. Ein nachträglicher Abgleich ist nicht vorgesehen. Die Gleichrichtung des Hochfrequenzsignals bringt den Nachteil mit sich, dass hochfrequente Störstrahlung, die über die Empfangsspule leicht in das Gerät eindringen kann, hier ebenfalls gleichgerichtet wird, und so einen unerwünschten ”Beitrag” zur Signalamplitude liefert.In order to increase the sensitivity, and at the same time to suppress unwanted influences, in DE4031252C1 proposed to operate two receiving coils in the direct differential circuit. The two receiver coils are in the feedback branch of a Meissner oscillator. The oscillator amplitude is evaluated. The switching distance is reached when, due to the interaction with a metallic release, the differential AC voltages of the two coils cancel each other out. In this case, the oscillator changes its vibrational state abruptly. The arrangement is very sensitive. On the other hand, it is clear that the tolerances of the two receiver coils have a major influence on the switching distance. An additional adjustment is not planned. The rectification of the high-frequency signal has the disadvantage that high-frequency interference radiation, which can easily penetrate into the device via the receiver coil, is also rectified here, thus providing an undesirable "contribution" to the signal amplitude.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, mischt man besser das Empfangssignal mit dem Oszillatorsignal. Da die beiden Signale notwendigerweise dieselbe Frequenz haben, entsteht am Mischerausgang eine Gleichspannung, so dass man auf die Gleichrichtung verzichten kann. Nicht mit der Frequenz und schon gar nicht mit der Phase des Oszillatorsignals übereinstimmende Störquellen können keinen dauerhaften Beitrag zum Sensorsignal leisten. Solche Näherungsschalter werden in DE19850749C1 und DE10012830A1 beschrieben.To avoid this disadvantage, it is better to mix the received signal with the oscillator signal. Since the two signals necessarily have the same frequency, a DC voltage develops at the mixer output, so that one can do without the rectification. No interference with the frequency and certainly not with the phase of the oscillator signal sources can not make a lasting contribution to the sensor signal. Such proximity switches are in DE19850749C1 and DE10012830A1 described.

DE 10 2006 053 023 A1 offenbart einen induktiven Näherungsschalter mit zwei Sendespulen und einer Empfangsspule. Die von einem gemeinsamen Wechselspannungsgenerator mit entgegengesetzter Phase gespeisten Sendespulen weisen unterschiedliche Windungszahlen auf. Dadurch wird das von der ersten Sendespule erzeugte Magnetfeld von der zweiten teilweise kompensiert. So wird die Richtcharakteristik verbessert und die Beeinflussbarkeit des Schaltabstandes durch die nähere Umgebung verringert. Beeinflussungen der Empfangsspule durch aktive Störquellen können dadurch allerdings nicht kompensiert werden. Hinzu kommt der vergleichsweise hohe Aufwand für den Oszillator. DE 10 2006 053 023 A1 discloses an inductive proximity switch with two transmitting coils and one receiving coil. The transmission coils fed by a common alternating voltage generator with opposite phase have different numbers of turns. This will partially compensates the magnetic field generated by the first transmitter coil from the second. Thus, the directional characteristic is improved and reduces the influenceability of the switching distance by the closer environment. However, this does not compensate for influences on the receiver coil due to active sources of interference. In addition, the comparatively high cost for the oscillator.

In DE19850749C1 werden zwei Empfangsspulen in Serie geschaltet, und das auf diese Weise entstehende Differenzsignal einem Mischer zugeführt. Nachteilig ist die fehlende Abgleichmöglichkeit zum Ausgleich der zwangsläufig vorhandenen Spulentoleranzen, sowie der Aufwand für den separaten Mischer. Nachteilig ist weiterhin, dass die beiden in Reihe geschalteten Spulen, und damit auch die Spulenkapazitäten mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden. Auf diese Weise entsteht selbst bei identischen Spulen ein unerwünschtes ”Differenzsignal.In DE19850749C1 two receiver coils are connected in series, and fed the difference signal resulting in this way to a mixer. The disadvantage is the lack of adjustment possibility to compensate for the inevitable existing coil tolerances, as well as the cost of the separate mixer. A further disadvantage is that the two series-connected coils, and thus the coil capacitors are subjected to different voltages. In this way, even with identical coils creates an undesirable "difference signal.

In DE10012830A1 wird das Oszillatorsignal in ein Rechtecksignal umgewandelt, und anschließend einem Mischer zugeführt. Zwei parallel angeordnete Empfangsspulen werden an die Eingänge eines Differenzverstärkers angeschlossen, so dass auch hier eine Differenzschaltung entsteht. Nachteilig ist der durch den separaten Mischer und für die Umwandlung der Signalform notwendige Materialaufwand. Die Abweichungen der beiden Empfangsspulen untereinander gehen zwar auch in das Messergebnis ein, könnten aber durch einen Offsetabgleich am Differenzverstärker ausgeglichen werden. Zum Abgleich der Empfangsspulen wird in dieser Schrift auf Abstimmungsmittel, wie Potentiometer oder dergleichen verwiesen.In DE10012830A1 the oscillator signal is converted into a square wave signal, and then fed to a mixer. Two receiver coils arranged in parallel are connected to the inputs of a differential amplifier so that a differential circuit is created here as well. A disadvantage is the material required by the separate mixer and for the conversion of the signal form. Although the deviations of the two receiving coils with each other also enter into the measurement result, but could be compensated by an offset adjustment on the differential amplifier. For matching the receiver coils reference is made in this document to tuning means such as potentiometers or the like.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden, und eine materialsparende insbesondere für Spulentoleranzen unempfindliche Lösung mit parallel geschalteten Empfangsspulen und deren guten Abgleicheigenschaften anzugeben.The The object of the invention is the above-mentioned disadvantages to avoid, and a material-saving in particular for Spool tolerances insensitive solution with parallel receiving coils and indicate their good balance properties.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird auf die aus der Rundfunktechnik bekannte selbstschwingende Mischstufe zurückgegriffen. Da sich zwei parallel geschaltete Empfangsspulen wegen der besseren Abgleichmöglichkeit und der symmetrischen Wirkung ihrer parasitären Kapazitäten als vorteilhaft erwiesen haben, wird die selbstschwingende Mischstufe erfindungsgemäß als Differenzschaltung, d. h. als Doppelgegentaktmischer ausgeführt. Die im Emitterkreis des Doppelgegentaktmischers befindlichen Stromquellen werden erfindungsgemäß als Gegentakt-Colpitts-Oszillator ausgeführt. Weiterhin enthält der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter eine nachgeschalteten Steuer- und Auswerteeinheit, sowie zwei mit den Eingängen der Differenzschaltung verbundene Empfangsspulen, wobei die Empfangsspulen so angeordnet und angeschlossen sind, dass sich die vom Erregerfeld der Sendespule des Gegentaktoszillators induzierten Signalspannungen am Ausgang des Doppelgegentaktmischers im unbedämpften Zustand kompensieren. Der Abgleich kann sowohl durch eine Gleichspannung am Mischerausgang oder auch durch Bedämpfung der Empfangsspulen durch einen parallelen Widerstand erfolgen.to Solution of the task will be based on the broadcast technology known self-oscillating mixer used. Because there are two parallel reception coils because of the better Adjustment possibility and the symmetrical effect of their parasitic capacitances proved to be advantageous have the self-oscillating mixing stage according to the invention as Differential circuit, d. H. designed as a double balanced mixer. The current sources located in the emitter circuit of the double balanced mixer According to the invention as push-pull Colpitts oscillator executed. Furthermore, the inventive inductive proximity switches a downstream control and evaluation, as well as two with the inputs of the differential circuit connected receiving coils, wherein the receiving coils arranged so and are connected to that of the excitation field of the transmitting coil the push-pull oscillator induced signal voltages at the output Compensating the double balanced mixer in the undamped state. The adjustment can be made both by a DC voltage at the mixer output or by damping the receiver coils by a parallel resistance.

Der Abgleich an den Empfangsspulen wird in DE 10 2007 014 343 B4 gezeigt. Hier befinden sich die Empfangsspulen jedoch im Rückkopplungszweig des Oszillators, so dass die Oszillatorschwingungen bei „optimalem” Abgleich der beiden Empfangsspulen abreißen. In der o. g. Schrift wir dieser Effekt zur Definition des Schaltabstandes benutzt. Nachteilig ist die durch das Abreißen und erneute Anschwingen des Oszillators bedingt geringere Schaltfrequenz, sowie die Beeinflussbarkeit des Oszillators durch äußere Störquellen. Wesentlich stabilere Verhältnisse erreicht man durch einen von außen weniger beeinflussbaren Oszillator, sowie durch Mischung des Empfangssignals mit dem Oszillatorsignal. Ein hierfür geeigneter Doppelgegentaktmischer wird z. B. in DE2900599B1 (4), gezeigt. Die Schaltung enthält einen Doppelgegentaktmischer mit einen Trägereingang TR und einem Signaleingang TE. Der Doppelgegentaktmischer besteht aus zwei von den Transistoren T1 und T2 gebildeten Stromquellen, sowie einem von den Transistoren T3 bis T6 gebildeten Polaritätsumschalter, der über Kollektorwiderstände mit der Spannungsquelle verbunden ist. Die Stromquellen und die Umschalter erhalten eine temperaturkompensierte Basisvorspannung aus einem aus Widerständen und Dioden bestehenden Spannungsteiler. Die Stromquellentransistoren werden durch das Empfangssignal angesteuert. Die Umschalter werden mit einem rechteckförmigen Trägersignal beaufschlagt. An den Ausgängen UA1 und UA2 erscheint das Produkt der beiden Signale. Wenn man dafür sorgt, dass die beiden Signale immer die gleiche Frequenz und geringe Phasenverschiebungen aufweisen, werden nur noch Signale mit gleichem Vorzeichen multipliziert. Am Ausgang entsteht eine von den Amplituden und Phasenlagen der Eingangssignale abhängige Gleichspannung. Nicht frequenz- und phasensynchrone Störquellen werden ”herausgemittelt”.The adjustment at the receiver coils is in DE 10 2007 014 343 B4 shown. Here, however, the receiver coils are in the feedback branch of the oscillator, so that the oscillator oscillations break off with "optimal" adjustment of the two receiver coils. In the above-mentioned text, this effect is used to define the switching distance. A disadvantage is the conditionally reduced by the tearing off and re-oscillation of the oscillator switching frequency, as well as the influenceability of the oscillator by external sources of interference. Much more stable conditions can be achieved by an externally less influenced oscillator, as well as by mixing the received signal with the oscillator signal. A suitable double balanced mixer is z. In DE2900599B1 ( 4 ). The circuit includes a double balanced mixer with a carrier input TR and a signal input TE. The double-balanced mixer consists of two current sources formed by the transistors T1 and T2, and a polarity switch formed by the transistors T3 to T6, which is connected to the voltage source via collector resistors. The current sources and the switches receive a temperature-compensated base bias voltage from a voltage divider consisting of resistors and diodes. The current source transistors are driven by the received signal. The switches are supplied with a rectangular carrier signal. The product of the two signals appears at the outputs UA1 and UA2. If you ensure that the two signals always have the same frequency and low phase shifts, only signals with the same sign are multiplied. At the output arises a dependent of the amplitudes and phase angles of the input signals DC voltage. Non-frequency and phase-synchronized sources of interference are "averaged out".

Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht darin, den für nach dem transformatorischen Prinzip arbeitenden induktiven Näherungsschaltern erforderlichen Oszillator in die Mischstufe zu integrieren; d. h. den Doppelgentaktmischer als selbstschwingende Mischstufe auszuführen. Dazu werden die beiden Stromquellen in besonders vorteilhafter Weise als Gegentaktoszillator beschaltet. Dadurch werden keine zusätzlichen aktiven Bauelemente für den Oszillator benötigt. Es kommt lediglich eine weitere Schwingkreiskapazität hinzu. Die Sendespule benötigt keine Anzapfung. Dazu ist es allerdings erforderlich, die Funktion der beiden Teilsysteme zu vertauschen, indem man die als Signaleingang dienenden Stromquellen als Umschalter benutzt, und das Eingangssignal an den Trägereingang legt. Der Mischer erzeugt nun sein Referenzsignal selbst. Die beiden Stromquellen werden abwechselnd leitend und aktivieren jeweils den zugehörigen Zweig der nun als Differenzschaltung arbeitenden Umschalter. Die Empfangsspulen werden an den ehemaligen Takteingang angeschlossen. Sie werden so dimensioniert und angeordnet, dass sich ihre Signalspannungen U1 und U3 im unbedämpften Zustand gegenseitig aufheben (U1 = U3). Das gelingt aber wegen der unvermeidlichen Toleranzen bei Aufbau und Anordnung der Spulen nicht vollständig. Am Ausgang des Mischers entsteht eine ”Offsetspannung”. So lange diese noch im Aussteuerbereich des Doppelgegentaktmischers liegt, ist sie durch eine Hilfsspannung kompensierbar. Die Hilfsspannung kann wie später beschrieben besonders vorteilhaft durch einen im Gerät befindlichen Mikrocontroller oder ein digitales Potentiometer, aber auch von außen über einen Abgleichwiderstand bzw. eine Widerstandsmatrix zugeführt werden. Da es sich um reine Gleichspannung handelt, sind auch relativ lange Zuleitungen unkritisch. So kann der Näherungsschalter auch im fertig montierten und vergossenen Zustand abgeglichen werden.Another idea of the invention consists in integrating the oscillator required for the inductive proximity switches, which work according to the transformer principle, into the mixing stage; ie to run the double-balanced mixer as a self-oscillating mixing stage. For this purpose, the two current sources are connected in a particularly advantageous manner as push-pull oscillator. As a result, no additional active components for the oscillator are needed. There is only one more Added resonant circuit capacity. The transmitter coil does not need a tap. For this purpose, however, it is necessary to interchange the function of the two subsystems by using the signal sources serving as a signal input as a switch, and puts the input signal to the carrier input. The mixer now generates its own reference signal. The two current sources are alternately conducting and in each case activate the associated branch of the changeover switch which now operates as a differential circuit. The receiver coils are connected to the former clock input. They are dimensioned and arranged so that their signal voltages U1 and U3 cancel each other in the undamped state (U1 = U3). But this is not completely possible because of the unavoidable tolerances in the design and arrangement of the coils. At the output of the mixer creates an "offset voltage". As long as this is still in the control range of the double balanced mixer, it can be compensated by an auxiliary voltage. The auxiliary voltage can be supplied as described later particularly advantageous by a microcontroller located in the device or a digital potentiometer, but also from the outside via a balancing resistor or a resistance matrix. Since it is pure DC voltage, even relatively long leads are not critical. Thus, the proximity switch can be adjusted even when fully assembled and potted.

Die an den beiden Mischerausgängen entstehenden Signale werden in vorteilhafter Weise einen Differenzverstärker und anschließend einem Komparator zugeführt. Besonders günstig ist es aber, den Näherungsschalter mit einem Mikrocontroller zu versehen. Da inzwischen preisgünstige Mikrocontroller sowohl mit A/D-Wandler als auch mit DA/Wandler erhältlich sind, kann nicht nur die Schaltschwelle durch einen Softwarealgorithmus festgelegt, sondern auch der Abgleich durch eine vom Mikrocontroller bereitgestellte analoge Gleichspannung erfolgen.The be at the two mixer outputs resulting signals advantageously a differential amplifier and then fed to a comparator. Very cheap But it is the proximity switch with a microcontroller to provide. Since now reasonably priced microcontroller Available with both A / D converter and DA / converter Not only can the switching threshold be controlled by a software algorithm but also the adjustment by a microcontroller provided analog DC voltage.

Als Induktivitäten können alle bekannten Ausführungen, insbesondere auch Luftspulen oder auf Leiterplatten gedruckte bzw. in mehrlagige Leiterplatten integrierte Spulen verwendet werden.When Inductors can all known designs, In particular, air coils or printed on printed circuit boards or used in multilayer printed circuit boards coils are used.

Abschließend sei noch erwähnt, dass die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur für induktiven Näherungsschalter, sondern auch für andere, insbesondere analoge induktive Sensoren geeignet ist.Finally it should be mentioned that the inventive Arrangement not only for inductive proximity switches, but also for others, in particular analogue inductive Sensors is suitable.

Ausführungsbeispieleembodiments

Ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen induktive Näherungsschalter soll anhand der 1 erläutert werden.A first embodiment of the inductive proximity switch according to the invention is based on the 1 be explained.

Die Schaltung in 1 beinhaltet einem Gegentaktoszillator 2, eine Differenzschaltung 1, die Steuer- und Auswerteeinheit 4, sowie zwei Empfangsspulen 5.The circuit in 1 includes a push-pull oscillator 2 , a differential circuit 1 , the control and evaluation unit 4 , as well as two receiver coils 5 ,

Der Gegentaktoszillator 2 besteht aus den Transistoren Q5 und Q6, der Oszillatorspule L2, den Schwingkreiskondensatoren C4, C5, C6, sowie den Widerständen R6 bis R9. Der Arbeitspunkt wird mit dem aus den Dioden D1 bis D4 und ihrem Vorwiderstand R15 bestehenden Spannungsteiler eingestellt. Es handelt sich um eine im Gegentakt arbeitende Colpitts-Schaltung, deren Oszillatorspule L2 in vorteilhafter Weise auch als Sendespule verwendet wird. Die beiden Transistoren wirken gleichzeitig als umschaltbare Stromquellen für die Differenzschaltung 1, so dass ein selbstschwingender Multiplizierer in Form des Doppelgegentaktmischers 3 entsteht. Die Differenzschaltung 1 besteht aus den Transistoren Q1 bis Q4, sowie den beiden R/C Kombinationen R1/C1 und R2/C2, die zur Stromversorgung und zur Glättung der entstehenden Gleichspannung dienen. Eine Gleichspannung entsteht deshalb, weil die Frequenzen des Empfangssignals und des Gegentaktoszillators 2 im Emitterzweig der Differenzschaltung 1 in jedem Fall übereinstimmen.The push-pull oscillator 2 consists of the transistors Q5 and Q6, the oscillator coil L2, the resonant circuit capacitors C4, C5, C6, and the resistors R6 to R9. The operating point is set with the consisting of the diodes D1 to D4 and its resistor R15 voltage divider. It is a push-pull Colpitts circuit, the oscillator coil L2 is used in an advantageous manner as a transmission coil. The two transistors simultaneously act as switchable current sources for the differential circuit 1 , so that a self-oscillating multiplier in the form of the double balanced mixer 3 arises. The difference circuit 1 consists of the transistors Q1 to Q4, as well as the two R / C combinations R1 / C1 and R2 / C2, which are used for power supply and for smoothing the resulting DC voltage. A DC voltage arises because the frequencies of the received signal and the push-pull oscillator 2 in the emitter branch of the differential circuit 1 in any case match.

Zunächst sei Q5 leitend und Q6 gesperrt. In diesem Fall gelangt das in der Empfangsspule L1 induzierte Signal über R3 an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers V. Das in L3 induzierte Signal gelangt über R4 an den invertierenden Eingang von V. Am Verstärkerausgang UA entsteht das verstärkte Signal B·(U1 – U3). (B = Verstärkungsfaktor).First Q5 is conductive and Q6 is blocked. In this case, that gets in the Reception coil L1 induced signal via R3 to the noninverting input of the operational amplifier V. The signal induced in L3 passes via R4 to the inverting input of V. Am Amplifier output UA creates the amplified signal B · (U1 - U3). (B = gain).

In der anderen Phase sperrt Q5 und Q6 ist leitend. Nun gelangt das in L1 induzierte Signal an den invertierenden Eingang von V, und das in L3 induzierte Signal an den nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V. Da der Strom in der Sendespule L2 nun aber in die entgegengesetzte Richtung fließt, entsteht am Verstärkerausgang UA das Signal –B·(U3 – U1).In the other phase is Q5 and Q6 is conductive. Now that comes signal induced in L1 to the inverting input of V, and the signal induced in L3 to the noninverting input of the Differential amplifier V. Since the current in the transmitting coil But now L2 flows in the opposite direction at the amplifier output UA the signal -B · (U3 - U1).

Wie bereits oben erläutert gelingt der Ausgleich der beiden Empfangssignale nicht vollständig. Am Mischerausgang entsteht deshalb auch im unbedämpften Zustand ein Differenzsignal in Form einer Offsetspannung. So lange diese noch im Aussteuerbereich des Doppelgegentaktmischers 3 liegt, ist sie durch eine Hilfsspannung kompensierbar. Diese Hilfsspannung kann besonders vorteilhaft von einem beim heutigen Stand der Technik ohnehin in vielen Geräten eingesetzten Mikrocontroller erzeugt werden.As already explained above, the compensation of the two received signals does not succeed completely. Therefore, a differential signal in the form of an offset voltage is produced at the mixer output even in the undamped state. As long as this still in the control range of the double balanced mixer 3 is, it is compensated by an auxiliary voltage. This auxiliary voltage can be generated particularly advantageous from a microcontroller used in many devices in the present state of the art anyway.

Die Steuer- und Auswerteschaltung 4 enthält eine weitere aus R10 und C3 bestehende R/C-Kombination für die Einstellung des Arbeitspunktes der Differenzschaltung 1, den bereits erwähnten Differenzverstärker V, den mindestens einen A/D-Wandler enthaltenden Mikroprozessor, die Abgleichwiderstände R11, R12 und R13, den Open-Collector-Schalttransistor Q7 mit seinem Vorwiderstand R16, sowie die folgenden Anschlusse.:

VCC Versorgungsspannung
R15 Verstärkungsabgleich für V (Abgleichwiderstand parallel zu R5)
UA Ausgang des Differenzverstärkers V
Sta Steuereingang für den Abgleichvorgang (Teach-in Steuertaste)
Ra Anschluss für einen Abgleichwiderstand,. (Der andere an Pol VCC)
OUT Open-Collector-Schaltausgang
Masse

The control and evaluation circuit 4 contains another R / C combination consisting of R10 and C3 for setting the operating point of the differential circuit 1 , the already mentioned differential amplifier V, the at least one A / D converter containing microprocessor, the balancing resistors R11, R12 and R13, the open-collector switching transistor Q7 with its resistor R16, and the following Anschlusse .:

VCC supply voltage
R15 gain compensation for V (compensation resistor parallel to R5)
UA output of the differential amplifier V
Sta Control input for the adjustment process (Teach-in control button)
Ra connection for a balance resistor ,. (The other one at pole VCC)
OUT open collector switch output
Dimensions

Die Stromversorgung, sowie die notwendigen Bedien- und Anzeigeelemente wurden nicht dargestellt.The Power supply, as well as the necessary operating and display elements were not shown.

Das verstärkte und auf die oben beschriebene Weise gleichgerichtete Differenzsignal gelangt vom Analogausgang UA über R14 an den Eingang P5 des Mikrocontrollers. Hier befindet sich ein A/D-Wandler. Das digitalisierte Signal wird nun einer Softwareroutine unterzogen, die entscheidet, ob eine im Speicher abgelegte Schaltschwelle überschritten wird. Bei Überschreitung der Schaltschwelle wird der Schaltausgang P8 gesetzt, und der Open-Collector-Transistor Q7 leitfähig. Die Schaltschwelle kann durch die Softwareroutine in Abhängigkeit von der Temperatur, der Amplitude des Messsignals oder anderer Einflussgrößen verändert werden.The amplified and rectified in the manner described above Difference signal arrives from analog output UA via R14 the input P5 of the microcontroller. Here is an A / D converter. The digitized signal is now subjected to a software routine, which decides whether a stored in the memory switching threshold is exceeded. If the switching threshold is exceeded, the switching output becomes P8 set, and the open-collector transistor Q7 conductive. The switching threshold can be determined by the software routine from the temperature, the amplitude of the measuring signal or other factors to be changed.

Wegen der oben erwähnten Toleranzen der Bauelemente und des mechanischen Aufbaus ist vor Inbetriebnahme des induktiven Näherungsschalters ein Abgleichvorgang erforderlich. Der Abgleichvorgang wird durch Setzen des mit dem Pin P9 verbundenen Eingangs Sta eingeleitet. Zuerst wird ein Grobabgleich durchgeführt. Dazu sollte sich ein Messobjekt (Steuerfahne) in geringem Schaltabstand befinden. Die Ableichroutine überprüft nun, ob das an P5 des Mikrocontrollers anliegende Signal innerhalb eines gewünschten Wertebereichs liegt. Wenn ja, ist der Vorgang beendet. Wenn nein, wird mit Hilfe der beiden über die Widerstände R12 und R13 unterschiedlich gewichteten Binärausgänge P6 und P7 versucht, das Signal an P5 in den gewünschten Bereich zu bringen. Mit den beiden Binärausgängen P6 und P7 lassen sich insgesamt vier Spannungen über R11 einstellen:

1. Beide Binärausgänge liegen auf 0 V. Das entspricht einer Parallelschaltung von R12 und R13 zu R11.
2. P6 liegt auf ”high” (näherungsweise VCC), P7 liegt auf 0 V. Damit wird R13 parallel zu R11 geschaltet, während von P6 ein zu R12 proportionaler Strom eingespeist wird.
3. P6 liegt auf 0 V, P7 liegt auf ”high”. Damit wird R12 parallel zu R11 geschaltet, während von P7 ein zu R13 proportionaler Strom eingespeist wird.
4. P6 und P7 liegen auf ”high”. Es wird sowohl über R12 als auch über R13 ein Strom eingespeist.

Because of the above-mentioned tolerances of the components and the mechanical structure, a calibration process is required before commissioning of the inductive proximity switch. The calibration process is initiated by setting input Sta connected to pin P9. First, a coarse adjustment is performed. For this purpose, a measurement object (control flag) should be within a short operating distance. The calibration routine now checks whether the signal applied to P5 of the microcontroller is within a desired value range. If so, the process is finished. If not, with the help of the two differently weighted binary outputs P6 and P7 via the resistors R12 and R13, an attempt is made to bring the signal at P5 into the desired range. With the two binary outputs P6 and P7, a total of four voltages can be set via R11:

1. Both binary outputs are at 0 V. This corresponds to a parallel connection of R12 and R13 to R11.
2. P6 is high (approximately VCC), P7 is at 0V. This switches R13 in parallel with R11, while P6 supplies current proportional to R12.
3. P6 is 0V, P7 is high. This switches R12 in parallel with R11, while P7 supplies a current proportional to R13.
4. P6 and P7 are high. A current is fed in both R12 and R13.

Auf diese Weise erhält man vier unterschiedliche Vorspannungen am nichtinvertierenden Eingang des Differenzverstärkers V. Da Abweichungen in beide Richtungen zu erwarten sind, sollte die Einstellung ”2” oder ”3” als Grundeinstellung für den Grobabgleich gewählt werden. Falls eine feinere Einstellung erforderlich ist, können selbstverständlich weitere binäre Mikrocontrollerausgänge für den Grobabgleich verwendet werden. Allerdings empfiehlt es sich in diesem Fall einen nach dem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) arbeitenden in vielen Mikrocontrollern vorhandenen D/A-Wandler zu verwenden. Das erfordert allerdings mindestens einen zusätzlichen Glättungskondensator.On this way you get four different biases at the non-inverting input of the differential amplifier V. Since deviations in both directions are to be expected, should the setting "2" or "3" as Basic setting for rough adjustment selected become. If finer adjustment is required, then of course further binary microcontroller outputs used for rough adjustment. However, it is recommended In this case, one is based on the principle of pulse width modulation (PWM) operating in many microcontrollers existing D / A converter to use. However, this requires at least one additional Smoothing capacitor.

Wen der Grobabgleich nicht gelingt, kann entweder der Verstärkungsfaktor des Differenzverstärkers V über einen zwischen VCC und R151 angeschlossen Widerstand verändert, oder ein zusätzlicher Abgleichwiderstand zwischen VCC und Ra angeschlossen werden.Whom the coarse alignment fails, either the gain factor of the differential amplifier V via an intermediate VCC and R151 connected resistor changed, or one additional balance resistor connected between VCC and Ra become.

Nach erfolgreichem Grobabgleich wird ein Feinabgleich durchgeführt. Dazu bringt man die Steuerfahne in den gewünschten Schaltabstand und setzt erneut den Steuereingang Sta. Nun überprüft die Abgleichroutine wiederum das Signal an P5. Befindet sich das Signal innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs, so wird der aktuelle Wert als Schaltschwelle, sowie geeignete Hysteresewerte gespeichert. Andernfalls wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Das geschieht vorzugsweise über den Schaltausgang, kann aber auch durch eine hier nicht dargestellte LED erfolgen.To successful coarse adjustment, a fine adjustment is performed. To do this you bring the control flag in the desired operating distance and resets the control input Sta. Now check the Adjustment routine turn the signal to P5. Is the signal located? within a given value range, then the current Value stored as switching threshold, as well as suitable hysteresis values. Otherwise an error message will be displayed. This is preferably done via the switching output, but can also by a not shown here LED done.

Kann das nicht erreicht werden, so wird der Bediener aufgefordert, zusätzliche Maßnahmen wie Änderung des Verstärkungsfaktors über R151 oder Anschluss eines zusätzlichen Abgleichwiderstands Ra zu ergreifen. Das kann durch die Ausgabe eine Bitfolge an eine mit dem Gerät über den Schaltausgang kommunizierenden übergeordneten Einheit erfolgen (z. B. I/O-Link). Bei einem automatischen Abgleich kann der Steuereingang Sta entweder direkt oder durch eine geeignete Kopplung mit dem Schaltausgang von der o. g. übergeordnete Einheit aktiviert werden.can that can not be achieved, the operator is prompted to do additional Measures such as changing the gain over R151 or connection of an additional balancing resistor Ra to take. This can be done by outputting a bit string to a the device communicating with the device via the switching output Unit (eg I / O link). For an automatic adjustment can the control input Sta either directly or by a suitable Coupling with the switching output of the o. G. parent Unit to be activated.

Weitere an sich bekannte Möglichkeiten bestehen darin, den Abgleich durch ein ohnehin angelegtes Signal, wie das erstmalige Zuschalten der Betriebsspannung nach der (Neu-)Programmierung des Mikrocontrollers oder auch durch Modulation der Betriebsspannung auszulösen. In diesem Fall kann auf den Steuereingang Sta verzichtet werden.Further known options are the adjustment by an already created signal, such as the first connection the operating voltage after (re) programming the microcontroller or by modulation of the operating voltage to trigger. In this case, the control input Sta can be dispensed with.

Nach erfolgreichem Abgleich ”verriegelt” sich der induktive Näherungsschalter entweder automatisch oder er wird durch geeignete Signale, wie z. B. eine bestimmte Bitfolge am Steuereingang Sta von außen verriegelt, und damit vor unerwünschten Manipulationen geschützt.To successful alignment "locks" the inductive Proximity switch either automatically or it will go through suitable signals, such. B. a certain bit sequence at the control input Sta locked from the outside, and thus from unwanted Tampering protected.

Die 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters. Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem in der 1. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird nur auf die Unterschiede zur 1 eingegangen. Der Abgleich erfolgt hier an den Empfangsspulen 5. Durch die aus Q8 bzw. Q9 und R21 bzw. aus Q9 und R22 bestehenden Bedämpfungseinheiten 7 wird den Empfangsspulen 5 definiert Energie entzogen. Auf diese Weise können sowohl Bauelementetoleranzen ausgeglichen, aber auch Temperaturgänge kompensiert werden. Die Bedämpfungseinheiten 7 und werden vom Mikrocontroller mit pulsweitenmodulierten Signalen (PW) angesteuert. Die Digital-Analog-Wandlung übernehmen in diesem Fall die beiden aus R17 und C7 bzw. aus R18 und C8 bestehenden Integrierer 8. Es hat sich gezeigt, dass bei geeigneter Wahl der Taktfrequenz des pulsweitenmodulierten Signals auf die Integrierer 8 verzichtet werden kann. Wie für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich ist, dürfen die Oszillatorfrequenz und die Taktfrequenz des pulsweitenmodulierten Steuersignals allerdings nicht korrelieren. Um unzulässige Mischprodukte zu vermeiden kann man für das pulsweitenmodulierte Steuersignal eine quasi zufällige Frequenz mit minimaler Autokorrelation (Barker-Code) verwenden. Durch das Weglassen der Integrierer 8 kann der Einstellvorgang wesentlich schneller ablaufen. Das eröffnet die Möglichkeit, neben dem Schaltabstand auch die Hysterese ohne Verlängerung der Reaktionszeit des Systems mit den pulsweitenmodulierten Signalen einzustellen. Die Komparatorschwelle den Mikrocontrollers bzw. die Verstärkung der Auswerteeinheit kann in diesem Fall konstant bleiben.The 2 shows a further embodiment of an inductive proximity switch according to the invention. The structure essentially corresponds to that in the 1 , To avoid repetition, only to the differences to 1 received. The adjustment takes place here at the receiving coils 5 , By means of the damping units consisting of Q8 or Q9 and R21 or of Q9 and R22 7 becomes the receiving coils 5 defines deprived of energy. In this way, both component tolerances can be compensated, but also temperature variations can be compensated. The damping units 7 and are controlled by the microcontroller with pulse width modulated signals (PW). In this case, the digital-to-analog conversion takes over the two integrators consisting of R17 and C7 or R18 and C8 8th , It has been found that with a suitable choice of the clock frequency of the pulse width modulated signal to the integrators 8th can be waived. However, as will be readily apparent to those skilled in the art, the oscillator frequency and the clock frequency of the pulse width modulated control signal must not be correlated. In order to avoid impermissible mixing products, one can use a quasi-random frequency with minimal autocorrelation (Barker code) for the pulse width modulated control signal. By omitting the integrators 8th the adjustment process can be much faster. This opens up the possibility of adjusting the hysteresis in addition to the switching distance without lengthening the reaction time of the system with the pulse width modulated signals. The comparator threshold of the microcontroller or the gain of the evaluation unit can remain constant in this case.

In 3 werden die beiden Varianten kombiniert. Bei großen Bauelementetoleranzen oder bei Verwendung der Sensorbaugruppe in Geräten mit unterschiedlicher Bauform kann es vorteilhaft sein, die in 1 gezeigten Einstellmöglichkeiten gerätespezifisch festzulegen oder für den Abgleich in der Fertigung zu nutzen, und die Hysterese im laufenden Betrieb mit dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einzustellen.In 3 the two variants are combined. For large component tolerances or when using the sensor assembly in devices with different design, it may be advantageous to the in 1 The setting options shown can be specified device-specific or used for the adjustment in the production, and the hysteresis during operation with the in 2 set embodiment shown.

11: Differenzschaltungdifferential circuit
22: GegentaktoszillatorPush-pull oscillator
33: DoppelgegentaktmischerDouble balanced mixer
44: Steuer- und AuswerteeinheitTax- and evaluation unit
55: Empfangsspulen = L1 und L3receiving coils = L1 and L3
66: Sendespule (Oszillatorspule) = L2transmitting coil (Oscillator coil) = L2
77: Bedämpfungseinheit (Q9, R22, bzw. Q8, R21)Bedämpfungseinheit (Q9, R22 or Q8, R21)
88th: Integrierer (C7, R17 bzw. C8, R18)integrator (C7, R17 or C8, R18)
99: Steuertransistor (Q8, Q9)control transistor (Q8, Q9)
VCCVCC: Versorgungsspannungsupply voltage
R151R151: Verstärkungsabgleich für den Verstärker V (parallel zu R5)gain adjustment for the amplifier V (parallel to R5)
UAUA: Analogausgang für das Differenzsignalanalog output for the difference signal
StaSta: Steuereingang für den Abgleich (Teach-in Taste)control input for the adjustment (Teach-in button)
RaRa: Anschluss für einen Abgleichwiderstandconnection for a balance resistor
OUTOUT: Open-Collector-SchaltausgangOpen collector switching output
BB: Verstärkungsfaktor des Mischersgain of the mixer
U1U1: in der Empfangsspule L1 induzierte Spannungin the receiving coil L1 induced voltage
U3U3: in der Empfangsspule L3 induzierte Spannungin the receiving coil L3 induced voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 4123828 C1 [0005]
- DE 4031252 C1 [0007]
- DE 19850749 C1 [0008, 0010]
- DE 10012830 A1 [0008, 0011]
- DE 102006053023 A1 [0009]
- DE 102007014343 B4 [0014]
DE 2900599 B1 [0014]

Claims

Inductive proximity switch with one of a differential circuit ( 1 ) and a push-pull oscillator ( 2 ) existing self-oscillating double balanced mixer ( 3 ) and a downstream control and evaluation unit ( 4 ), as well as at least two with the inputs of the differential circuit ( 1 ) associated receiving coils ( 5 ), the receiving coils ( 5 ) are arranged and connected so that the exciter field of the transmitting coil ( 6 ) of the push-pull oscillator ( 2 ) induced signal voltages at the output of the double balanced mixer ( 3 ) in the undamped state substantially compensate.

Inductive proximity switch according to claim 1, characterized in that the two receiving coils ( 5 ) are arranged in parallel.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the control and evaluation unit ( 4 ) at least one with an output of the double balanced mixer ( 3 ) contains connected controllable voltage or current source.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that at least one receiving coil ( 5 ) a controllable damping unit ( 7 ) having.

Inductive proximity switch according to claim 4, characterized in that the damping unit ( 7 ) one at least partially parallel to a receiving coil ( 5 ) connected control transistor ( 9 ), which is connected to a control and evaluation unit ( 4 ) connected is.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the control and evaluation unit ( 4 ) contains a comparator, which triggers the switching operation when a predetermined switching threshold is exceeded.

Method for operating an inductive proximity switch according to one of claims 1 to 6, characterized in that the adjustment of the sensor on the already rectified attenuation-dependent DC voltage signal at an output of the double balanced mixer ( 3 ) he follows.

Method for operating an inductive proximity switch according to one of Claims 4 to 7, characterized in that the adjustment of the receiving coils ( 5 ) by a damping unit controlled by a pulse width modulated signal ( 7 ) he follows.

Method according to claim 8, characterized in that the damping unit ( 7 ) without smoothing by an integrator ( 8th ) is controlled directly with a pulse width modulated signal.

A method according to claim 9, characterized in that the hysteresis of the inductive proximity switch by means of a pulse width controlled damping unit ( 7 ) is set.