DE102009045460B3

DE102009045460B3 - Induktiver Näherungssensor und Verfahren zur Auswertung von analogen Ausgangssignalen mindestens eines Schwingkreises eines induktiven Näherungssensors

Info

Publication number: DE102009045460B3
Application number: DE200910045460
Authority: DE
Inventors: Manuela Schmidt; Reinhard Droxler; Ernst Gass
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-10-08

Abstract

Induktiver Näherungssensor, umfassend mindestens einen Schwingkreis mit einer Spuleneinrichtung, welcher durch einen Messgegenstand beeinflussbar ist, eine Pulserzeugungseinrichtung, welche in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Schwingkreis steht und dem mindestens einen Schwingkreis Anregungspulse bereitstellt, eine Nulldurchgangsdetektionseinrichtung, durch welche in einem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises Nulldurchgänge detektierbar sind, eine Integratoreinrichtung, durch welche das Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises mindestens bereichsweise integrierbar ist, wobei ein Integrationsbereich durch Signale der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung gesteuert ist, und eine Auswertungseinrichtung, welche Integrationsergebnisse an unterschiedlichen Bereichen des Ausgangssignals oder an gleichen Bereichen vonin Beziehung zueinander setzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungssensor, umfassend mindestens einen Schwingkreis mit einer Spuleneinrichtung, welche durch einen Messgegenstand beeinflussbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Auswertung von analogen Ausgangssignalen mindestens eines Schwingkreises eines induktiven Näherungssensors.
Aus der DE 35 46 245 A1 ist ein berührungsloser Näherungsschalter mit einem eine sprungförmige Anregung aufweisenden Schwingkreis und einer Auswerteschaltung bekannt, wobei die Auswerteschaltung von wenigstens einer Sprungantwort des Schwingkreises auf eine derartige Anregung zumindest eine für den zeitlichen Verlauf der abklingenden Schwingung kennzeichnende Größe erfasst.
Aus der FR 2 604 251 A1 ist ein induktiver Näherungssensor bekannt, welcher einen Impulsgenerator umfasst.
Aus der EP 1 530 064 A1 ist ein Verfahren für die Detektion der Annäherung eines metallischen Materials durch einen Resonanzkreis bekannt, bei dem eine Antwort des Resonanzkreises auf einen Anregungspuls gemessen wird.
Aus der DE 37 33 944 A1 ist ein induktiver Näherungssensor mit einem durch Annäherung eines elektrisch leitenden Gegenstands bedämpfbaren Schwingkreis und mit einer Auswerteschaltung zur Ermittlung der Schwingungsdämpfung bekannt, wobei die Auswerteschaltung eine Zählschaltung beinhaltet, die die Anzahl der Schwingungen zählt, deren Amplitude einen vorwählbaren Wert überschreitet.
Aus der US 5,065,093 ist ein induktiver Näherungssensor zur Detektion eines Objekts bekannt, welcher eine Referenzspule aufweist.
Aus der DE 201 05 164 U1 ist ein induktiver Sicherheitssensor zur Überwachung des Zustands von Türen und Toren mit einer Sensoreinrichtung zur Sensierung eines Targets, die derart ausgelegt ist, dass sie nur bei einer Sensierung eines Targets aus einem vorgegebenen Material ein Signal abgibt und von einem ersten Konstantstrom auf einen anderen Konstantstrom umschaltet, bekannt.
Aus der DE 44 27 220 A1 ist ein magnetischer Näherungsdetektor mit einer Spule mit einem Kern aus weichmagnetischem Material, einer Ansteuer- und Auswerteschaltung mit einem Kondensator und einem Verstärker mit einem Detektor bekannt, wobei der Detektor aus einer Messwechselspannung am Ausgang des Verstärkers eine Größe bildet, deren Wert bei einer Annäherung eine möglichst starke Veränderung aufweist.
Aus der DE 36 15 652 A1 ist ein induktives Suchgerät zum Orten von elektrisch leitenden und/oder ferromagnetischen Körpern bekannt, mit einer Suchsondenanordnung bestehend aus einer und einer zweiten Suchwicklung mit einer jeweils an die erste und an die zweite Suchwicklung angeschlossenen ersten beziehungsweise zweiten Signalverarbeitungsanordnung, an deren Ausgang jeweils ein von dem zu ortenden Körper herrührendes erstes beziehungsweise zweites Signal erzeugt wird und mit einer an die Ausgänge der ersten und zweiten Signalverarbeitungsanordnung angeschlossenen Auswerteanordnung, in der eine Auswertung des Verhältnisses des ersten und zweiten Signals vorgenommen wird. Die erste und zweite Suchwicklung bilden miteinander im Wesentlichen eine gemeinsame Ebene; sie umfassen Flächen unterschiedlicher Größe und die zweite Suchwicklung befindet sich innerhalb der ersten Suchwicklung.
Aus der DE 2 119 507 ist ein Annäherungsdetektor mit einem schwingenden System geringer Eigendämpfung bekannt, dem durch die Annäherung eines Gegenstands Energie entziehbar ist, und mit einem Auswertsystem zur Erfassung der Schwingungsamplitude des Systems, wobei eine Anregeeinrichtung für das System, die diesem periodisch eine definierte Anfangsenergie zuführt, vorgesehen ist, und eine Zähleinrichtung vorgesehen ist, welche zur Erfassung der Anzahl der Schwingungsperioden in jedem Anregungsintervall, deren Amplituden zwischen zwei vorgegebenen Grenzwerten liegen, dient.
Aus der US 5,187,723 ist eine Vorrichtung zur Detektion und zum Zählen von Metallobjekten bekannt, welche einen Sensor umfasst, der eine Mehrzahl von Untersensoren umfasst. Es ist ein elektronischer Sensorschaltkreis vorgesehen, welcher eine Mehrzahl von Pulsgeneratoren umfasst, wobei ein Pulsgenerator jeweils für einen Untersensor vorgesehen ist.
Aus der US 5,124,235 ist ein Zwei-Draht-Detektionssystem bekannt, welches einen Sensor umfasst, welcher Impedanzmittel aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungssensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, welcher ein Abstandssignal mit hoher Temperaturunabhängigkeit bereitstellt.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten induktiven Näherungssensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Pulserzeugungseinrichtung vorgesehen ist, welche in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Schwingkreis steht und dem mindestens einen Schwingkreis Anregungsimpulse bereitstellt, eine Nulldurchgangsdetektionseinrichtung vorgesehen ist, durch welche in einem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises Nulldurchgänge detektierbar sind, eine Integratoreinrichtung vorgesehen ist, durch welche das Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises mindestens bereichsweise integrierbar ist, wobei ein Integrationsbereich durch Signale der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung gesteuert ist, und eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, welche Integrationsergebnisse an unterschiedlichen Bereichen des Ausgangssignals oder an gleichen Bereichen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise in Beziehung zueinander setzt.
Durch die Pulserzeugung wird der Schwingkreis zu einer Schwingung angeregt. Die Schwingung ist durch die Anwesenheit eines (metallischen) Messgegenstands eine gedämpfte Schwingung. Nach Anregung durch den Anregungspuls ist die bedämpfte Schwingung frei. Die Bedämpfung hängt ab von dem Abstand des Messgegenstands zu dem mindestens einen Schwingkreis. Die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung kann Nulldurchgänge in dem entsprechenden Schwingkreissignal bestimmen. Diese bestimmten Nulldurchgänge können als Integrationsgrenzen verwendet werden. Die Integrator einrichtung bestimmt Flächenintegrale an dem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises.
Wenn Integrationsergebnisse an unterschiedlichen Bereichen des Ausgangssignals oder an gleichen Bereichen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise in Beziehung zueinander gesetzt werden und insbesondere der Quotient gebildet wird, dann lässt sich eine Temperaturkompensation erreichen. Es lässt sich ein Signal bilden, welches abhängig ist von dem Abstand des Messgegenstands zu dem mindestens einen Schwingkreis, wobei dieses Signal eine reduzierte Temperaturabhängigkeit (im Vergleich zu dem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises) hat und in guter Näherung temperaturunabhängig ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich dann die Auswirkung eines Temperaturgangs auf die Spuleneinrichtung des mindestens einen Schwingkreises zumindest reduzieren. Es ergibt sich auch eine größere Signaländerung bei größeren Schaltabständen als bei bekannten Auswerteverfahren.
Es ist günstig, wenn eine Integration über mindestens eine Halbwelle des Ausgangssignals des mindestens einen Schwingkreises vorgesehen ist. Ein Flächenintegral über eine solche Halbwelle lässt sich auf einfache Weise ermitteln. Die Integrationsgrenzen lassen sich auf einfache Weise über durch die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung ermittelte Nulldurchgänge bestimmen.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Integration über mindestens eine negative Halbwelle des Ausgangssignals des mindestens einen Schwingkreises erfolgt. Negative Halbwellen sind sehr störsicher. Grundsätzlich sind aber auch positive Halbwellen oder nach Gleichrichtung negative und positive Halbwellen verwendbar.
Es ist günstig, wenn eine Integration über die mindestens zweite Halbwelle nach Anregung erfolgt. Die Beeinflussung dieser Halbwelle aufgrund eines Anregungspulses ist dann minimiert.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher eine einkanalige Auswertung erfolgt, ist ein Ausgangssignal vorhanden, wobei Integrale von unterschiedlichen Halbwellen dieses Ausgangssignals in Beziehung gesetzt werden. Dadurch ergibt sich ein resultierendes Signal, welches eine reduzierte Temperaturabhängigkeit aufweist.
Insbesondere erfolgt eine Inbeziehungsetzen des Integrals über die Halbwelle mit der Nummer n mit n größer 1 und des Integrals über die Halbwelle mit der Nummer m mit m größer n. Dadurch lässt sich auf einfache Weise die Temperaturabhängigkeit reduzieren.
In der Praxis hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Integrale über die zweite Halbwelle und die Integrale über die siebte Halbwelle in Beziehung gesetzt werden und insbesondere ein Quotient gebildet wird. Insbesondere werden die Integrale über die negative zweite Halbwelle und die negative siebte Halbwelle in Beziehung zueinander gesetzt.
Es ist auch möglich, dass beim Inbeziehungsetzen von Integralen über Halbwellen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise ein Inbeziehungsetzen der Integrale von Halbwellen mit gleicher Reihenfolge erfolgt. Dadurch lässt sich, wenn die Schwingkreise gleich ausgebildet sind, eine Temperaturabhängigkeit zumindest reduzieren.
Es ist insbesondere günstig, wenn ein Inbeziehungsetzen von Integralen über zweite Halbwellen erfolgt. Die Werte dieser Flächenintegrale sind relativ groß, so dass sich eine hohe Signalstärke ergibt und auch bei größeren Schaltabständen man eine größere Signaländerung erhält.
Insbesondere ist in diesem Fall das Inbeziehungsetzen eine Differenzbildung oder eine Quotientenbildung. Dadurch lässt sich auf einfache Weise die Temperaturabhängigkeit in dem entsprechenden Endsignal reduzieren.
Günstig ist es, wenn ein Schalter zur Aktivierung der Integratoreinrichtung vorgesehen ist. Durch die Auswertungseinrichtung lässt sich dieser Schalter steuern. Es lassen sich dadurch definiert eine oder mehrere Halbwellen zur Flächenintegralbildung auswählen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Schalter mittels Signalen der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung gesteuert ist. Dadurch lassen sich auf einfache Weise die Integrationsgrenzen auswählen. Die Vorgabe der Integrationsgrenzen erfolgt beispielsweise durch die Auswertungseinrichtung. Dort sind die entsprechenden Integrationsgrenzen, beispielsweise für die zweite negative Halbwelle und die siebte negative Halbwelle, vorgegeben.
Günstigerweise ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche insbesondere in die Auswertungseinrichtung integriert sein kann, welche eine zeitliche Abfolge von Aktivierungssignalen für die Pulserzeugungseinrichtung, von Aktivierungssignalen der Integratoreinrichtung und Entladung der Integratoreinrichtung steuert. Dadurch lässt sich ein Messzyklus definiert durchführen.
Es ist ferner günstig, wenn die Steuerungseinrichtung eine zeitliche Abfolge einer Entladung des mindestens einen Schwingkreises steuert.
Es ist ferner günstig, wenn die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung signalwirksam mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist und dieser Nulldurchgangsdetektionssignale bereitstellt. Auf Grundlage dieser Nulldurchgangsdetektionssignale wiederum lässt sich das Schalten der Integratoreinrichtung steuern.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine einkanalige Auswertung vorgesehen ist, genügt grundsätzlich ein einziger Schwingkreis.
Bei einer alternativen Ausführungsform, bei der eine zweikanalige Auswertung vorgesehen ist, sind ein erster Schwingkreis und ein zweiter Schwingkreis vorhanden. Es lassen sich dadurch Flächenintegrale eines Ausgangssignals des ersten Schwingkreises und eines Ausgangssignals des zweiten Schwingkreises miteinander vergleichen, um die Temperaturabhängigkeit insgesamt zu reduzieren.
In diesem Fall ist es günstig, wenn eine Schaltereinrichtung vorhanden ist, welche an die Pulserzeugungseinrichtung gekoppelt ist und durch welche schaltbar ist, ob der erste Schwingkreis oder der zweite Schwingkreis Anregungspulse erhält. Dadurch lässt sich zeitlich steuern, wann der erste Schwingkreis angeregt wird und der zweite Schwingkreis angeregt wird. Dadurch lässt sich wiederum die Integralauswertung an den entsprechenden Ausgangssignalen zeitlich entkoppelt durchführen.
Insbesondere sind zeitlich nacheinander dem ersten Schwingkreis und dem zweiten Schwingkreis Anregungspulse bereitgestellt. Dadurch lässt sich der schaltungstechnische Aufwand für die Auswertung gering halten.
Günstig ist es, wenn eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Integrationsergebnissen für die Ausgangssignale des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises vorhanden ist. Diese Speichereinrichtung kann grundsätzlich in die Auswertungseinrichtung integriert sein oder sie kann direkt über diskrete Bauelemente ausgebildet sein.
Günstigerweise erfolgt ein Vergleich der Integrale über die zweite Halbwelle der Anregungssignale des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises. Die zweite (negative) Halbwelle ist weitgehend störungsfrei und weist einen relativ hohen Wert auf.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, bei welchem sich Abstandssignale erhalten lassen, die den Abstand des Messgegenstands charakterisieren und eine reduzierte Temperaturabhängigkeit aufweisen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Schwingkreis durch mindestens einen Anregungspuls angeregt wird, in dem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises Nulldurchgänge detektiert werden, eine Integration über mindestens eine Halbwelle des Ausgangssignals durchgeführt wird und die Integrale über unterschiedliche Halbwellen des gleichen Ausgangssignals oder zeitlich gleich angeordnete Halbwellen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise in Beziehung gesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungssensor erläuterten Vorteile auf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem induktiven Näherungssensor erläutert.
Insbesondere wird das Integral über mindestens die zweite Halbwelle des Ausgangssignals gebildet. Dadurch ist die Störung durch den Anregungspuls in der Schwingung minimiert.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das Integral über mindestens eine negative Halbwelle gebildet wird. Negative Halbwellen sind sehr störsicher.
Bei einer Ausführungsform werden in einem Ausgangssignal die Integrale von Halbwellen mit der Nummerierung n und m mit m größer n durch Quotientenbildung in Beziehung gesetzt. Es hat sich gezeigt, dass man dadurch ein Endsignal erhält, welches eine starke Reduktion in der Temperaturabhängigkeit aufweist und den Abstand des Messgegenstands charakterisiert.
Es hat sich als insbesondere günstig erwiesen, wenn Integrale über die zweite Halbwelle und die siebte Halbwelle gebildet werden und der Quotient der Integrale gebildet wird. Dieser Quotient ist das entsprechende Endsignal. Die Halbwellen sind dabei insbesondere negative Halbwellen.
Es ist auch möglich, dass ein erster Schwingkreis und ein zweiter Schwingkreis angeregt werden und Integrale über Halbwellen von Ausgangssignalen des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises gebildet werden und Integrale über Halbwellen mit gleicher Nummerierung durch Differenzbildung oder Quotientenbildung in Beziehung gesetzt werden. Wenn der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis identisch ausgebildet sind, dann lässt sich dadurch die Temperaturabhängigkeit stark reduzieren.
Es ist schaltungstechnisch günstig, wenn der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis zeitlich versetzt angeregt werden. Dadurch lässt sich eine zweikanalige Auswertung durchführen. Dann sind insbesondere keine Demultiplexer und dergleichen notwendig.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass Integrationsergebnisse für den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis zwischengespeichert werden, um ein Inbeziehungsetzen zu ermöglichen.
Insbesondere werden die Integrale über die zweite Halbwelle und insbesondere die negative zweite Halbwelle verglichen. Dadurch ergibt sich eine hohe Signalstärke.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Näherungssensors;
2 eine schematische Darstellung der Abfolge von Pulssignalen beim Betrieb des Näherungssensors gemäß 1;
3 eine Darstellung eines Ausgangssignals eines Schwingkreises des Näherungssensors gemäß 1 bei Annäherung eines (metallischen) Messgegenstands;
4 der Vergleich eines Verhältnisses von Integralen über eine zweite Halbwelle und eine siebte Halbwelle (siehe 3) bei unterschiedlichen Abständen s eines Messgegenstands (siehe 1);
5 ein Ausführungsbeispiel eines Schwingkreises in Ersatzschaltbilddarstellung;
6 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungssensors; und
7 schematisch den Signalverlauf eines Ausgangssignals eines ersten Schwingkreises und eines zweiten Schwingkreises bei dem induktiven Näherungssensor gemäß 6 bei Annäherung eines Messgegenstands.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungssensors, welches in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Schwingkreis 12. Dieser Schwingkreis 12 hat eine Spuleneinrichtung 14 aus einer oder mehreren Induktivitäten. Ferner umfasst der Schwingkreis 12 (mindestens) einen Kondensator 16.
In 5 ist der Schwingkreis 12 in einem Ersatzschaltbild 12' dargestellt. Der Schwingkreis 12' im Ersatzschaltbild weist eine Induktivität L, einen Ersatzwiderstand R_S und eine Kapazität C auf. Die Kapazität C ist parallel geschaltet zu einer Serienschaltung der Induktivität L und des Ersatzwiderstands R_S.
Der Schwingkreis 12 bzw. 12' hat ein Ausgangssignal u(t), welches abhängig ist von einem Abstand eines (metallischen) Messgegenstands 18 (1) zu dem Schwingkreis 12. Das Ausgangssignal u(t) ist insbesondere ein Spannungssignal.
Die elektronischen Elemente des induktiven Näherungssensors 10, welche untenstehend noch näher beschrieben werden, sind in einem Gehäuse angeordnet, welches in 1 durch das Bezugszeichen 20 angedeutet ist. Über das Gehäuse 20 ist der induktive Näherungssensor 10 als Ganzes positionierbar. Der Messgegenstand 18 ist nicht Teil des induktiven Näherungssensors 10 und liegt außerhalb des Gehäuses 20.
An den Schwingkreis 12 ist eine Pulserzeugungseinrichtung 22 gekoppelt. Diese Pulserzeugungseinrichtung 22 stellt dem Schwingkreis 12 in zeitlicher Abfolge Anregungspulse 24 zur Anregung des Schwingkreises 12 bereit. Die Anregungspulse 24 lassen sich in den Schwingkreis 12 zu dessen Anregung einleiten.
Die Anregungspulse 24 regen den Schwingkreis 12 zu einer gedämpften Schwingung an, wobei die Bedämpfung abhängig ist von dem Abstand s des metallischen Messgegenstands 18 zu dem Schwingkreis 12. Eine Periodendauer der Anregungspulse 24 ist sehr viel größer als eine Periodendauer einer Schwingung des Schwingkreises 12. Nach Anregung der Schwingung soll diese durch die Anregungspulse 24 nicht mehr gestört werden und ”frei” sein. Damit ist die Frequenz der Anregungspulse deutlich kleiner als die Schwingungsfrequenz des Schwingkreises 12.
Eine Breite eines Anregungspulses 24 ist deutlich kleiner als die Periodendauer einer Schwingung des Schwingkreises 12. Dadurch wird die bedampfte ”freie Schwingung” des Schwingkreises 12 nach Anregung minimal beeinflusst.
Optional ist ein Schalter 26 vorgesehen. Über den Schalter 26 lässt sich gesteuert der Schwingkreis 12 entladen. Dadurch kann die Periodendauer der Anregungspulse 24 verringert werden.
An den Schwingkreis 12 ist ein hochohmiger Abgriff 28 mit einem optionalen Verstärker 30 gekoppelt, über den sich das Ausgangssignal u des Schwingkreises 12 abgreifen und gegebenenfalls verstärken lässt.
Bei Anwesenheit eines Messgegenstands 18 in der Art, dass der Schwingkreis 12 beeinflusst wird, ist das (gegebenenfalls verstärkte) Ausgangssignal des Schwingkreises 12 eine abklingende Sinusschwingung 32 (siehe 3). Es ist an den Abgriff 28 und gegebenenfalls den Verstärker 30 eine Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 gekoppelt, über welche sich Nulldurchgänge 36a, 36b usw. des Ausgangssignals des Schwingkreises 12 (gegebenenfalls nach Verstärkung) detektieren lassen.
Entsprechende Nulldurchgangdetektionssignale gibt die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 an eine Auswertungseinrichtung 38 weiter, welche dazu signalwirksam mit der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 verbunden ist.
Der induktive Näherungssensor 10 umfasst ferner eine als Ganzes mit 40 bezeichnete Integratoreinrichtung. Durch diese lassen sich Bereiche in dem Signal 32 integrieren.
Die Integratoreinrichtung 40 ist signalwirksam mit dem Abgriff 28 und gegebenenfalls dem Verstärker 30 über einen Schalter 42 verbunden. Der Schalter 42 ist dabei durch die Auswertungseinrichtung 38 angesteuert. Dadurch lassen sich die Bereiche in dem Schwingungssignal 32, über welche zu integrieren ist, gezielt steuern.
Der Integratoreinrichtung 40 ist ein Schalter 43 zugeordnet, über welchen sich die Integratoreinrichtung 40 entladen lässt. Der Schalter 43 ist über die Auswertungseinrichtung 38 steuerbar.
Die Auswertungseinrichtung 38 umfasst eine Steuerungseinrichtung, durch welche die einzelnen Elemente des induktiven Näherungssensors 10 wie unten beschrieben in einer zeitlich vorgegebenen Reihenfolge angesteuert werden.
Dazu umfasst die Steuerungseinrichtung, welche insbesondere in die Auswertungseinrichtung 38 integriert ist, eine Schwingkreis-Einheit 44. Diese steuert die Pulserzeugungseinrichtung 22 mit einem entsprechenden Signal an, welche zur Erzeugung von Pulsen 24 führt, die den Schwingkreis anregen. Dies ist in 2 mit P angedeutet.
Ferner wird der Schalter 26 derart angesteuert, dass er eine Entladung des Schwingkreises 12 ermöglicht.
Die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 prüft ständig, ob an dem Ausgangssignal u(t) (gedämpfte Schwingung) Nulldurchgänge vorliegen. Dies ist in 2 mit N angedeutet.
Die Auswertungseinrichtung 38 umfasst ferner eine Integrator-Einheit 46. Diese steuert den Schalter 42 an und schließt diesen, wenn eine Integration durchzuführen ist, und zwar über einen Bereich, welcher vorgegeben ist und über die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 detektiert wird. Mit einem Signal I (1 und 2) ist der Schalter 42 angesteuert.
Ferner steuert die Integrator-Einheit 46 der Auswertungseinrichtung 38 den Schalter 43 an (Signal D₂). Wenn eine Integration durchgeführt werden soll, dann ist der Schalter 43 offen. Nach Durchführung der Integration wird er geschlossen, damit eine Entladung durchgeführt werden kann.
Ferner weist die Auswertungseinrichtung 38 eine Auswertungseinheit 48 auf, an welcher die eigentliche Auswertung stattfindet. Durch die Auswertungseinheit 48 werden bestimmte Integrale, wie unten noch näher erläutert wird, in Beziehung gesetzt und insbesondere wird ein Verhältnis gebildet. Dieses Verhältnis ist ein Maß für den Abstand s.
Wie in 3 gezeigt, entsteht durch Anregung des Schwingkreises 12 eine freie gedämpfte Schwingung, wobei die Bedämpfung abhängig ist von dem Abstand s des Messgegenstands 18 zu dem Schwingkreis 12. Durch die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 34 lassen sich Nulldurchgänge 50a, 50b usw. detektieren.
Durch die Integratoreinrichtung 40 lassen sich Integrale
bilden.
Die Zeiten t₁ und t₂ werden vorgegeben, wobei diese durch detektierte Nulldurchgänge 50a, 50b usw. über die Auswertungseinrichtung 38 vorgegeben werden.
Zur Auswertung ist es insbesondere vorgesehen, dass Integrale über negative Halbwellen zwischen benachbarten Nulldurchgängen gebildet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Integral A_–2 über eine zweite negative Halbwelle 52 und A_–7, über eine siebte negative Halbwelle 54 gebildet. Die Nummerierung der negativen Halbwellen bezieht sich dabei auf den Start nach dem Anregungsimpuls.
Es wird dann das Verhältnis A_–2/A_–7 gebildet.
Dieses Verhältnis A_–2 zu A_–7 ist für verschiedene Abstände s des Messgegenstands 18 in 4 für unterschiedliche Temperaturen gezeigt. Man erkennt, dass die Temperaturabhängigkeit dieses Verhältnisses relativ gering ist. Das Verhältnis A_–2 zu A_–7 ist dadurch in guter Näherung temperaturkompensiert.
Es ist grundsätzlich möglich, dass auch Verhältnisse über Integrale von anderen negativen Halbwellen genommen werden, wobei sich in der Praxis das genannte Verhältnis A_–2 zu A_–7 als am Günstigsten erwiesen hat. Es wird bevorzugterweise ein Verhältnis von A_–n verwendet, wobei n größer 1 ist. Dadurch ist die Beeinflussung durch den Anregungspuls minimiert. Andererseits sollte n so klein wie möglich sein, um einen großen Integralwert zu erhalten. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn n gleich 2 ist. Für das andere Integral A_–m mit m größer n sollte ein genügender Abstand zu n vorliegen, wobei andererseits m aufgrund des Abklingens der Schwingung nicht zu groß sein sollte. Wie oben erwähnt hat sich hier m gleich 7 als vorteilhaft erwiesen.
Durch die Messung von Flächenintegralen A_–n und A_–m über negative Halbwellen und Quotientenbildung lässt sich in guter Näherung die Temperaturabhängigkeit kompensieren. Es ergibt sich ein Signal, welches eine hohe Temperaturstabilität aufweist. Die Temperatur mittelt sich bei der Verhältnisbildung gewissermaßen aus.
Bei dem induktiven Näherungssensor 10 erfolgt eine Einkanalauswertung. An dem Signal u(t) werden die entsprechenden Flächenintegrale berechnet und in Verhältnis gesetzt und das entsprechende Verhältnissignal ist ein Maß für den Abstand s.
Negative Halbwellen werden dabei ausgewählt, weil sie sehr störsicher sind. Grundsätzlich ist auch die Verwendung von positiven Halbwellen möglich. Es ist auch möglich, durch Gleichrichtung des Signals u(t) negative und positive Halbwellen für die Integralbildung zu verwenden.
Bei größeren Schaltabständen s ergibt sich eine größere Signaländerung als bei bisher bekannten Auswerteverfahren.
Ein zweites Ausführungsbeispiel eines induktiven Näherungssensors, welches in 6 schematisch gezeigt und dort mit 56 bezeichnet ist, umfasst einen ersten Schwingkreis 58 und einen zweiten Schwingkreis 60. Der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 sind grundsätzlich so ausgebildet wie oben anhand des Schwingkreises 12 beschrieben.
Der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 sind grundsätzlich identisch ausgebildet, so dass sie dieselbe Temperaturbeeinflussbarkeit aufweisen.
Der erste Schwingkreis 58 stellt den eigentlichen Messschwingkreis dar und der zweite Schwingkreis 60 ist ein Referenzschwingkreis.
Bei der Anwendung des induktiven Näherungssensors 56 wird ein Messgegenstand 18 in einem Abstand s zu dem ersten Schwingkreis 58 positioniert. Dieser Abstand s bestimmt, wie ein Ausgangssignal u₁(t) des ersten Schwingkreises 58 verläuft; durch den metallischen Messgegenstand 18 wird der erste Schwingkreis 58 bedampft.
Der zweite Schwingkreis 60 weist einen größeren Abstand zu dem Messgegenstand 18 auf. Er liefert ein Ausgangssignal u₂(t). Dem zweiten Schwingkreis 60 kann dazu eine definierte Vorbedämpfung 62 zugeordnet sein.
Es ist wiederum eine Pulserzeugungseinrichtung 64 vorgesehen, welche über parallel angeordnet Schalter 66 und 68 an den ersten Schwingkreis 58 (über den Schalter 66) bzw. den zweiten Schwingkreis 60 (über den Schalter 68) gekoppelt ist. Wenn die Pulserzeugungseinrichtung 64 Anregungspulse abgibt, dann kann über die Schalter 66 und 68 gesteuert werden, welcher Schwingkreis, nämlich der erste Schwingkreis 58 oder der zweite Schwingkreis 60, angeregt wird.
Der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 weisen einen gemeinsamen Abgriffpunkt 70 auf, an dem das Signal u₁ oder u₂, abhängig von der Stellung des Schalters 66 und des Schalters 68, abgreifbar ist. Diesem Abgriffpunkt 70 ist optional ein Verstärker 72 nachgeschaltet. An den Verstärker wiederum ist eine Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 74 gekoppelt.
An den Verstärker 72 ist ebenfalls ein Schalter 76 gekoppelt, welchem ein Integrator 78 folgt. Durch die Stellung des Schalters 76 ist steuerbar, ob der Integrator einen Integrationsvorgang durchführt oder abgekoppelt ist. Über die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 74 wiederum sind die Integrationsgrenzen steuerbar.
Dem Integrator 78 ist ein Schalter 80 zu dessen Entladung zugeordnet.
Auf den Integrator folgt eine Speichereinrichtung 82 mit einem ersten Speicher 84 und einem zweiten Speicher 86. Dem ersten Speicher 84 ist ein erster Schalter 88 zugeordnet und dem zweiten Speicher 86 ist ein zweiter Schalter 90 zugeordnet. Der erste Speicher 84 mit seinem ersten Schalter 88 dient zur Speicherung von Integrationsergebnissen an dem Signal u₁ des ersten Schwingkreises 58. Der zweite Speicher 86 dient zur Speicherung von Integrationsergebnissen an dem Signal u₂ des zweiten Schwingkreises 60.
Es ist eine Auswertungseinrichtung 92 vorgesehen. Diese kann die in dem ersten Speicher 84 und dem zweiten Speicher 86 gespeicherten Integrationsergebnisse auslesen.
Durch die Auswertungseinrichtung 92 ist ferner die zeitliche Abfolge der Erzeugung von Anregungspulsen (P) des Öffnens und des Schließens der Schalter 66 und 68 (M und R) steuerbar.
Ferner ist über entsprechende Schalter 94 und 96 eine Entladung des ersten Schwingkreises 58 (D_M) bzw. des zweiten Schwingkreises 60 (D_R) steuerbar.
Ferner ist über die Auswertungseinrichtung 92 das Schalten des Schalters 76 insbesondere in Abhängigkeit von detektierten Nulldurchgängen steuerbar. Ferner ist das Schalten der Schalter 88 und 90 sowie die Entladung des Integrators über den Schalter 80 steuerbar.
Die Auswertungseinrichtung 92 kann entsprechende in der Speichereinrichtung 82 gespeicherte Ergebnisse in Beziehung setzen und insbesondere eine Differenzbildung oder Quotientenbildung durchführen.
Der induktive Näherungssensor wird so betrieben, dass zeitlich nacheinander der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 durch gleich ausgebildete Anregungsimpulse, welche insbesondere δ-förmig sind, angeregt werden. Beispielsweise wird, in 7 angedeutet, zunächst der erste Schwingkreis 58 angeregt. Dazu ist der Schalter 66 geschlossen und der Schalter 68 offen. Es entsteht ein Signal u₁(t); es handelt sich um ein gedämpftes Schwingungssignal. Die Bedämpfung ist abhängig von dem Abstand s des Messgegenstands 18 zu dem ersten Schwingkreis 58.
Der Integrator 78 ermittelt ein Integral über eine negative Halbwelle A (1) / –n , wobei n die Nummer dieser Halbwelle ist. Die Integrationsgrenzen werden über die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung 74 ermittelt. Beispielsweise wird das Integral A (1) / –2 ermittelt.
Der zweite Schwingkreis 60 ist ein Referenzschwingkreis. Zeitlich versetzt zu dem Anregungspuls für den ersten Schwingkreis 58 wird mit einem gleichen Anregungspuls der zweite Schwingkreis 60 angeregt. Dazu ist der Schalter 66 offen und der Schalter 68 geschlossen. Der zweite Schwingkreis 60 liefert ein Signal u₂(t) (siehe 7). Dieses Signal wird ebenfalls verstärkt. Es werden Nulldurchgänge bestimmt und es wird das Integral A (2) / –n über die negative Halbwelle n bestimmt. Es wird dabei das Flächenintegral über die negative Halbwelle mit der gleichen Nummerierung wie für das Signal u₁ des ersten Schwingkreises 58 bestimmt. Die entsprechenden Integrationsergebnisse an dem Signal u₁ und an dem Signal u₂ werden in dem ersten Speicher 84 bzw. zweiten Speicher 86 gespeichert. Sie können auch, wenn keine Speichereinrichtung 82 vorhanden ist, in einem entsprechenden Speicher der Auswertungseinrichtung 92 gespeichert werden.
Die Auswertungseinrichtung 92 setzt die entsprechenden Flächenintegrale A (1) / –2 für das erste Signal u₁ und A (2) / –n für das zweite Signal u₂ in Beziehung zueinander und bildet insbesondere den Quotienten oder die Differenz.
Da der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 gleich ausgebildet sind, lässt sich durch dieses Inbeziehungsetzen die Temperaturabhängigkeit eliminieren bzw. zumindest reduzieren. Das Verhältnis der Flächenintegrale A (1) / –n und A (2) / –n ist dadurch unabhängig, es hängt jedoch ab von dem Abstand s.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die negative Halbwelle mit der Nummer 2 verwendet. Es lassen sich grundsätzlich auch positive Halbwellen verwenden oder solche mit anderer Nummerierung. Die Halbwelle mit der Nummer n gleich 2 bietet den Vorteil, dass der Wert des Flächenintegrals relativ groß ist und daher genau bestimmbar ist.
Bei dem induktiven Näherungssensor 10 erfolgt die Auswertung der Signale eines einzigen Schwingkreises. Bei dem induktiven Näherungssensor 56 erfolgt eine Auswertung der Signale zweier Schwingkreise, wobei dazu der erste Schwingkreis 58 und der zweite Schwingkreis 60 mit unterschiedlichen Signalen u₁ und u₂ vorgesehen sind.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden in dem Ausgangssignal des Schwingkreises 12 oder in den Ausgangssignalen der Schwingkreise 58 und 60 Nulldurchgänge detektiert und dann an Halbwellen der Ausgangssignale Flächenintegrale bestimmt. Es werden bestimmte Flächenintegrale für ein Ausgangssignal oder für Ausgangssignale der unterschiedlichen Schwingkreise 58 und 60 in Beziehung zueinander gesetzt. Durch dieses Inbeziehungsetzen lassen sich Temperaturabhängigkeiten erheblich reduzieren, so dass sich dadurch ein in guter Näherung temperaturunabhängiges, von dem Abstand s des Messgegenstands zu dem Schwingkreis 12 bzw. 58 abhängiges Signal auf einfache Weise erzeugen lässt.

Claims

Induktiver Näherungssensor, umfassend mindestens einen Schwingkreis (12; 58, 60) mit einer Spuleneinrichtung (14), welcher durch einen Messgegenstand (18) beeinflussbar ist, eine Pulserzeugungseinrichtung (22; 64), welche in Wirkverbindung mit dem mindestens einen Schwingkreis (12; 58, 60) steht und dem mindestens einen Schwingkreis (12; 58, 60) Anregungspulse bereitstellt, eine Nulldurchgangsdetektionseinrichtung (34; 74), durch welche in einem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises (12; 58, 60) Nulldurchgänge (36a, 36b) detektierbar sind, eine Integratoreinrichtung (40; 78), durch welche das Ausgangssignal (u, u₁, u₂) des mindestens einen Schwingkreises (12; 58, 60) mindestens bereichsweise integrierbar ist, wobei ein Integrationsbereich durch Signale der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung (34; 74) gesteuert ist, und eine Auswertungseinrichtung (38; 92), welche Integrationsergebnisse an unterschiedlichen Bereichen des Ausgangssignals (u) oder an gleichen Bereichen von Ausgangssignalen (u₁, u₂) unterschiedlicher Schwingkreise (58; 60) in Beziehung zueinander setzt.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Integration über mindestens eine Halbwelle des Ausgangssignals des mindestens einen Schwingkreises (12; 58, 60).
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Integration über mindestens eine negative Halbwelle des Ausgangssignals des mindestens einen Schwingkreises (12; 58, 60).
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Integration über die mindestens zweite Halbwelle nach Anregung.
Induktiver Näherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Inbeziehungsetzen bei dem Ausgangssignal eines Schwingkreises (12; 58, 60) der Integrale von unterschiedlichen Halbwellen.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Inbeziehungsetzung des Integrals über die Halbwelle mit der Nummer n mit n größer 1 und des Integrals über die Halbwelle mit der Nummer m mit m größer n.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Inbeziehungsetzen des Integrals (A_–2) über die zweite Halbwelle mit dem Integral (A_–7) über die siebte Halbwelle.
Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Inbeziehungsetzen eine Quotientenbildung ist.
Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Inbeziehungsetzen von Integralen über Halbwellen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise (58; 60) ein Inbeziehungsetzen der Integrale von Halbwellen mit gleicher Reihenfolge erfolgt.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Inbeziehungsetzen von Integralen (A_–2) über zweite Halbwellen.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Inbeziehungsetzen eine Differenzbildung oder Quotientenbildung ist.
Induktiver Näherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schalter (42; 76) zur Aktivierung der Integratoreinrichtung (40; 78).
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (42; 76) mittels Signalen der Nulldurchgangsdetektionseinrichtung (34; 74) gesteuert ist.
Induktiver Näherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung, welche eine zeitliche Abfolge von Aktivierungssignalen für die Pulserzeugungseinrichtung (22; 64), von Aktivierungssignalen der Integratoreinrichtung (40; 78) und Entladung der Integratoreinrichtung (40; 78) steuert.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung eine zeitliche Abfolge einer Entladung des mindestens einen Schwingkreises (12; 58, 60) steuert.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Nulldurchgangsdetektionseinrichtung (34; 74) signalwirksam mit der Steuerungseinrichtung verbunden ist und dieser Nulldurchgangsdetektionssignale bereitstellt.
Induktiver Näherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen einzigen Schwingkreis (12).
Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen ersten Schwingkreis (58) und einen zweiten Schwingkreis (60).
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Schaltereinrichtung (66, 68), welche an die Pulserzeugungseinrichtung (64) gekoppelt ist und durch welche schaltbar ist, ob der erste Schwingkreis (58) oder der zweite Schwingkreis (60) Anregungspulse erhält.
Induktiver Näherungssensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zeitlich nacheinander dem ersten Schwingkreis (58) und dem zweiten Schwingkreis (60) die Anregungspulse bereitgestellt sind.
Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Speichereinrichtung (82) zur Speicherung von Integrationsergebnissen für die Ausgangssignale des ersten Schwingkreises (58) und des zweiten Schwingkreises (60).
Induktiver Näherungssensor nach einem der Ansprüche 18 bis 21, gekennzeichnet durch einen Vergleich der Integrale über die zweite Halbwelle der Anregungssignale des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises.
Verfahren zur Auswertung von analogen Ausgangssignalen mindestens eines Schwingkreises eines induktiven Näherungssensors nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem der mindestens eine Schwingkreis durch mindestens einen Anregungspuls angeregt wird, in dem Ausgangssignal des mindestens einen Schwingkreises Nulldurchgänge detektiert werden, eine Integration über mindestens eine Halbwelle des Ausgangssignals durchgeführt wird und die Integrale über unterschiedliche Halbwellen des gleichen Ausgangssignals oder zeitlich gleich angeordneter Halbwellen von Ausgangssignalen unterschiedlicher Schwingkreise in Beziehung gesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral über mindestens die zweite Halbwelle des Ausgangssignals gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Integral über mindestens eine negative Halbwelle gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Ausgangssignal die Integrale von Halbwellen mit Nummerierung n und m mit m größer n durch Quotientenbildung in Beziehung gesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass Integrale über die zweite Halbwelle und die siebte Halbwelle gebildet werden und der Quotient der Integrale gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwingkreis und ein zweiter Schwingkreis angeregt werden und die Integrale über Halbwellen von Ausgangssignalen des ersten Schwingkreises und des zweiten Schwingkreises gebildet werden und Integrale über Halbwellen mit gleicher Nummerierung durch Differenzbildung oder Quotientenbildung in Beziehung gesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schwingkreis und der zweite Schwingkreis zeitlich versetzt angeregt werden.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass Integrationsergebnisse für den ersten Schwingkreis und den zweiten Schwingkreis zwischengespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Integrale über die zweite Halbwelle verglichen werden.