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Induktive
Näherungsschalter werden in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik
eingesetzt.
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Vielfach
arbeiten diese nach dem Prinzip des bedämpften LC-Oszillators,
bei dem das zu detektierende Objekt (das Target), die Güte
des Oszillators beeinflusst. In einer Auswerteeinheit wird die Güteänderung
erfasst und eine Ausgangsstufe gegebenenfalls aktiviert.
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Eine
Alternative zum Oszillatorprinzip ist das Transformator-Prinzip,
bei dem der Einfuß eines Targets auf den Koppelfaktor zwischen
einem Messspulenpaar, bestehend aus einer Sendespule und einer Empfangsspule
ausgewertet wird. Dabei wird mit der Sendespule ein veränderliches
Magnetfeld erzeugt und die sekundärseitig induzierte Spannung
in der Empfangsspule gemessen und nach einer entsprechenden Verstärkung
ausgewertet.
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Um
verschiedene äußere Einflüsse zu kompensieren,
weisen diese Art von Näherungsschalter in der Regel eine
weitere Spule, die zur Erzeugung eines veränderlichen Referenzmagnetfeldes
dient, auf, das zur Generierung eines Referenzsignals in einer weiteren
Empfangsspule dient. Ein solcher Näherungsschalter ist
aus der
WO2007/012502 (berichtigte
Fassung) bekannt Der Koppelfaktor zwischen dieser als Referenzspule
bezeichnete Spule und der weiteren Empfangsspule, wird durch das
Target kaum bzw. weniger beeinflusst.
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Ohne
Target wird das Spulensystem so abgeglichen, dass das Empfangssignal
einem ausbalancierten Zustand entspricht.
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Nähert
sich ein Target dem Spulensystem, so wird der ausbalancierte Zustand
verlassen, und die Magnetfelder müssen entsprechend beeinflusst werden,
um den ausbalancierten Zustand wieder herzustellen. Die Regelung
kann mit einem Mikrocontroller durchgeführt werden, der
die Signalabweichung gegenüber dem ausbalancierten Zustand misst
und ein entsprechendes Regelsignal erzeugt. Mit Hilfe dieses Regelsignals
wird der Strom und damit auch das Magnetfeld zumindest in einer
der beiden primärseitigen Spulen geändert.
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Zur
Stromregelung ist wenigstens in einem der beiden primärseitigen
Stromkreise ein Transistor vorgesehen der als variabler Widerstand
dient und der vom Mikrokontroller über das Regelsignal
angesteuert wird.
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Bei
dem Regelsignal handelt es sich um ein Rechtecksignal mit einem
Tastverhältnis von 50% und einer variablen Amplitude.
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Überschreitet
das Regelsignal einen Schwellwert, so wird ein Schaltsignal generiert.
Diesem Schwellwert ist ein Abstand des Targets vom Näherungsschalter
zugeordnet, der als Schaltabstand bezeichnet wird. Im Idealfall
sollte der Schaltabstand eines Näherungsschalter unabhängig
von den Umgebungsbedingungen und unabhängig von der Betriebsdauer,
die teilweise bis zu 2 Jahren oder mehr betragen kann, konstant
bleiben.
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Diese
oben beschrieben Art der Regelung hat prinzipielle Nachteile. Es
hat sich durch aufwendige Messungen gezeigt, dass kleinste Abweichungen
der primärseitigen Spulenwerte (Widerstand, Induktivität)
zu einer Abweichungen vom ausbalancierten Zustand führen.
Nur durch entsprechende Anpassungen z. B. Neueinstellung der Schaltschwelle können
diese Abweichungen kompensiert werden. Solche Anpassungen sind aber
bei Näherungsschalter häufig nicht vorgesehen
bzw. vom Kunden nicht erwünscht.
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In
der Regel werden diese Abweichungen durch Alterungseffekte insbesondere
durch zyklische Temperaturvariationen hervorgerufen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein Verfahren zum Betreiben eines Näherungsschalters
und einen Näherungsschalter anzugeben, das die oben genannten
Nachteile nicht aufweist und das insbesondere langzeitstabil, insbesondere
weniger anfällig gegen Temperatureinflüssen, ist.
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Gelöst
wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 bzw. im gegenständlichen
Anspruch angegebenen Merkmale.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen
angegeben.
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Die
wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass die Regelung
nicht auf der Primärseite sondern auf der Seite der Empfangsspulen
erfolgt.
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Auf
dieser Seite werden die Signale hochohmig abgegriffen und deshalb
wirken sich die eingangs angesprochenen Einflüsse erheblich
weniger aus. Das Empfangssignal wird dabei durch die Regelung kaum
bzw. gar nicht beeinflusst. Der Schaltabstand wird durch die Erfindung
erheblich weniger von Umgebungseinflüssen gestört.
Er bleibt insbesondere langzeitstabiler.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Blockschaltbild
eines Näherungsschalters mit einer primärseitigen
Regelung
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2 Blockschaltbild
eines Näherungsschalters mit einer sekundärseitigen
Regelung
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2a Blockschaltbild
eines Näherungsschalters gemäß 2 mit
einer geringfügig geänderten Schaltung auf der
Seite der Empfangsspulen
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In 1 ist
ein Näherungsschalter 1, bestehend aus einem Spulensystem 3 und
einem Mikrocontroller 5 dargestellt. Das Spulensystem 3 weist primärseitig
eine Sendespule E1 und eine Reerenzspule R2 auf, die in Reihe geschaltet
sind. Der Verbindungspunkt der beiden Spulenenden ES1–ER2 liegt
auf einem konstanten Bezugspotential von z. B. 2.5 V. Die beiden
Spulenanfänge AS1, AR2 sind jeweils über einen
Transistor T1 bzw. T2 mit Masse verbunden. Außerdem weist
das Spulensystem 3 zwei Empfangsspulen E1 und E2 auf. Die
beiden Empfangsspulen E1 und E2 sind als Differenzspule geschaltet,
so dass an deren Spulenanfängen A nicht die Summe der induzierten
Spannungen sondern deren Differenz anliegt. Die Empfangsspulen reagieren somit
empfindlich auf Unterschiede.
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Die
Spulenanfänge der beiden Spulen E1 und E2 sind mit einem
Differenzverstärker 10 verbunden, der über
einen analog/digital Wandler 12 an den Mikrocontroller 5 angeschlossen
ist. Zum Symmetrieabgleich ist vor dem Differenzverstärker
D ein Abgleichpotentiometer 14 vorgesehen.
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Mit
Hilfe eines Taktgenerators 16 wird der Arbeitstakt für
den Mikrocontroller 5 generiert. Über einen Teiler 20 wird
der Arbeitstakt des Taktgenerators 16 in einen Systemtakt
umgewandelt, der an einer Einheit Systemtakt 22 als Taktsignal „Takt” und
als komplementäres Taktsignal „Takt” ausgegeben
wird. Mit beiden Taktsignalen werden Schalter 30 bzw. 32 angesteuert,
die jeweils mit Stromregler 34 bzw. 36 in Reihe
geschaltet sind. Die beiden Stromregler 34 und 36 steuern
den Basisstrom eines Transistorschalters T1 bzw. T2, über
diese beiden Schalter kann der Spulenstrom in den beiden Spulen 51 und
R2 eingestellt werden. Die beiden Stromregler 34 bzw. 36 werden über
zwei digital/analog Wandler 33 bzw. 35 vom Mikrocontroller 5 angesteuert.
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Dieser
Näherungsschalter 1 funktioniert folgendermaßen.
Durch die abwechselnd in den beiden Spulen S1 und R2 fließenden
Ströme werden sich ändernde Magnetfelder B1 bzw.
B2 erzeugt. Diese induzieren aufgrund der Wirkverbindung in den
beiden Empfangsspulen E1 und E2 Spannungen die über den
Differenzverstärker 10 in ein Ausgangssignal AS umgewandelt
werden. Im ausbalancierten Zustand nimmt das Ausgangssignal AS einen
konstanten Pegel von 0 Volt an. Da die Spulenwerte der einzelnen Spulen
des Spulensystems 3 herstellungsbedingt gewissen Streuungen
unterworfen sind, muss das Spulensystem anfänglich in den
ausbalancierten Zustand gebracht werden. Dieser Abgleich erfolgt
einmalig, z. B. bei der Produktion des Näherungsschalters 1,
mit Hilfe des Abgleichpotentiometers 14.
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Nach
dem erfolgreichen Abgleich ist das Ausgangssignal ein konstantes
Nullsignal. Das Ausgangssignal AS wird im analog/digital Wandler 12 digitalisiert
und dem Mikrocontroller 5 zur weiteren Verarbeitung zugeführt
wird. Wenn das Ausgangssignal AS vom Nullsignal als Sollwert nicht
abweicht, braucht der Mikrocontroller 5 nicht regelnd einzugreifen.
An seinen Ausgängen 40 bzw. 42 liegt
das gleiche Signal an und die steuerbaren Stromquellen werden über
das Signal RO gleich angesteuert. Die beiden Spulenströme
sind deshalb im Wesentlichen gleich groß aber zeitlich
entsprechend dem Taktsignal zueinander versetzt.
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Bei
Annäherung eines Targets ändert sich die Koppelfaktoren
in dem Spulensystem 3. Das Spulensystem befindet sich nicht
mehr im ausbalancierten Zustand und deshalb weicht das Ausgangssignal AS
vom Nullsignal ab. Das Regelprogramm des Mikrocontrollers 5 tastet
das Ausgangssignal AS zu zwei Zeitpunkten/Zeitfenstern während
des Systemtakts ab und berechnet die Regelgröße
R, die in digitalisierter Form als positive Abweichung R0 + R am Ausgang 40 und
als negative Abweichung R0 – R am Ausgang 42 anliegt.
Entsprechend wird der Spulenstrom in den beiden Spulen S1 und R2
beeinflusst. Hier erfolgt die Regelung also primärseitig.
Dabei fließen durch die beiden Spulen 51 und R2
unterschiedliche Ströme.
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Am
Ende des Regelvorgangs befindet sich das Spulensystem wieder in
einem ausbalancierten d. h. symmetrischen Zustand. Die Regelgröße
R ist ein Maß für die Beeinflussung des Spulensystems 3 durch
das Target.
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Übersteigt
die Regelgröße R einen Grenzwert wird ein Schaltsignal
generiert und eine Endstufe entsprechend angesteuert.
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Ändern
sich die Spulenwerte der beiden primärseitigen Spulen E1
bzw. R2 unterschiedlich oder ändern sich die Spulenwerte
einer der beiden Spulen z. B. durch Temperatureinflüsse,
so befindet sich das Spulensystem nicht mehr im ausbalancierten
Zustand und der Regelkreis spricht ohne Target an und versucht die
Unsymmetrie auszuregeln. Dadurch wird mit Target der Grenzwert für
die Regelgröße R entweder bei einem kleineren
bzw. bei einem größeren Abstand des Targets vom
Näherungsschalter 1 überschritten. Der
Schaltabstand ändert sich in unerwünschter Weise.
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In 2 ist
der ein Blockschaltbild eines Näherungsschalters mit einer
erfindungsgemäßen Stromregelung dargestellt. Bis
auf die Stromregelung des Spulensystems 3 entspricht das
Blockschaltbild dem von 1.
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Im
Unterschied zu 1 erfolgt jedoch keine Regelung
auf der Primärseite sondern auf der Sekundärseite.
Insbesondere fließt durch die beiden primärseitigen
Spulen S1 und R2 immer der gleiche Strom.
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Primärseitig
sind die beiden Spulenenden ES1 und ER2 direkt miteinander verbunden.
Sekundärseitig sind die beiden Spulenanfänge A
der Empfangsspulen E1 bzw. E2 jeweils über Transistoren
T1' und T2' mit Masse verbunden. Die Spulenenden der beiden Empfangsspulen
E1 und E2 sind über den Punkt EE und einen Widerstand 15 mit
Masse verbunden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung nach 2a, liegt
der Punkt EE auf einem festen Bezugspotenzial z. B. 5 V und zwischen
den Transistoren T1' bzw. T2' und den Spulenanfängen A
ist jeweils noch ein Widerstand 15a bzw. 15b geschaltet. Der
Emitter des Transistors T1' kann hier auch auf Masse gelegt werden.
Dadurch erhält man ein sehr symmetrische Anordnung und
auch ein besseres Ausgangssignal AS.
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In
beiden Varianten 2 bzw. 2a sind die
beiden Schalter 30 bzw. 32 nicht unbedingt notwendig.
Sie können auch weggelassen werden.
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Nachfolgend
ist die Erfindung näher erläutert.
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Mit
den beiden Sendespulen S1, R1 wird ein sich änderndes Magnetfeld
erzeugt. Die Empfangsspulen E1, E2 stehen mit den Sendespulen S1,
R2 in Wirkverbindung. D. h. sie sind induktiv entweder direkt oder über
ein metallisches Target gekoppelt.
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Ohne
Target wird das Ausgangssignal auf ein Referenzsignal eingestellt.
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Nähert
sich ein Target dem Spulensystem 3 so ändert sich
die Wirkverbindung und damit das Ausgangssignal AS. Die Regelung
versucht die Änderung auszugleichen und die Differenz zwischen Ausgangssignal
und Referenzsignal zu minimieren. Der Mikrocontroller ermittelt
die Regelgröße R um die beiden Transistoren T1'
bzw. T2', die variable Widerstände darstellen, so zu beeinflussen,
dass die Ströme in den Empfangsspulen E1, E2 einem ausbalancierten
Zustand entsprechen. Da die Regelung auf der Empfangsseite erfolgt
und dort die Signale hochohmig abgegriffen werden, ist das System
erheblich stabiler gegenüber äußeren
Einflüssen z. B. Temperatur und Bauteildrift etc. Außerdem
ist durch die Serienschaltung der Spulen gewährleistet,
dass in beiden Sendespulen immer der gleiche Strom fließt.
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Die
Erfindung ist nicht auf rechteckförmige Ansteuersignale
für die Sendespulen 51 und R2 beschränkt.
Es sind auch andere Signalformen u. a. Sinussignale denkbar. Entsprechende
Schaltungen sind bekannt.
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Auch
ist eine digitale Auswertung mit einem Mikrocontroller 5 nicht
zwingend erforderlich. Die Erfindung kann auch mit einer Analogschaltung
realisiert werden.
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Die
Erfindung ist auch nicht auf induktive Näherungsschalter
beschränkt. Eine Empfangsseitige Regelung bringt auch bei
kapazitiven Näherungsschaltern erhebliche Vorteile. Hier
müssen im Prinzip nur die Sendespulen und die Empfangsspulen
durch entsprechende Kondensatoren ersetzt werden.
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Außerdem
kann die Erfindung auch mit nur einer Empfangsspule realisiert werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter,
gemäß 2 bzw. 2a kann
auch ein Abgleich während des Betriebs des Näherungsschalters
stattfinden.
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Alternativ
kann die primärseitige Regelung gemäß Anordnung 1 zwar
beibehalten werden, dafür müssen aber Spulen eingesetzt
werden, deren Spulenparameter (insbesondere der Spulenwiderstand)
weniger durch äußere Einflüsse beeinflusst werden.
Denkbar ist der Einsatz von Keramikspulen, gedruckten Spulen oder
Spulen deren Spulenkerne den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie das verwendete Drahtmaterial besitzen.
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- S1
- Sendespule
- R2
- Referenzspule
- T1
- Transistor
- T2
- Transistor
- AS
- Ausgangssignal
- E1
- Empfangsspule
- E2
- Empfangsspule
- 1
- Näherungsschalter
- 3
- Spulensystems
- 5
- Mikrocontroller
- 10
- Differenzverstärker
- 12
- Wandler
- 14
- Abgleichpotentiometer
- 15
- Widerstand
- 16
- Taktgenerator
- 20
- Teiler
- 22
- Takteinheit
- 30
- Schalter
- 32
- Schalter
- 33
- Digital/analog
Wandler
- 34
- Stromregler
- 35
- Digital/analog
Wandler
- 36
- Stromregler
- 40
- Ausgang
- 42
- Ausgang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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