DE102010041288B3

DE102010041288B3 - Inductive proximity switch for use as contactlessly working electronic switching device in automatic control engineering, has sensor unit with degaussing coil connected with charging capacitor of internal power supply unit by rectifier

Info

Publication number: DE102010041288B3
Application number: DE201010041288
Authority: DE
Inventors: Jaromir Palata
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2010-09-23
Filing date: 2010-09-23
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-09-24

Abstract

The proximity switch has a sensor unit (11) with a degaussing coil (LR) for fading magnetic field, where the degaussing coil is connected with a charging capacitor (CR) of an internal power supply unit by a rectifier (DR). Energy obtained from the degaussing coil is used for producing negative operation voltage, and a pulse generator (3) has a measuring resistor (RM) for measuring transmission current in a transmitter coil (LS), where length of transmission pulses depends on reaching a preset value of the transmission current in the transmitter coil. An independent claim is also included for a method for operating an inductive proximity switch.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters nach Anspruch 6.The invention relates to an inductive proximity switch according to the features of the preamble of patent claim 1, and a method for operating the inductive proximity switch according to the invention according to claim 6.

Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt.Inductive proximity switches are used as non-contact electronic switching devices, especially in automation technology.

Sie enthalten eine Sendespule, die ein elektromagnetisches von einem metallischen Auslöser beeinflussbares Magnetfeld erzeugt. Die Beeinflussung des Magnetfeldes durch den metallischen Auslöser wird ausgewertet und bei Überschreiten eines Schwellwerts eine elektronische Schaltstufe angesteuert.They contain a transmitting coil which generates an electromagnetic magnetic field which can be influenced by a metallic trigger. The influence of the magnetic field by the metallic release is evaluated and, when a threshold value is exceeded, an electronic switching stage is activated.

Schaltgeräte dieser Art werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.Switching devices of this type are manufactured and distributed in various designs, inter alia, by the Applicant.

Hierbei kann sowohl die Ansteuerung der Sendespule als auch die Bewertung des Einflusses des metallischen Auslösers auf unterschiedliche Art erfolgen.In this case, both the control of the transmitting coil and the evaluation of the influence of the metallic trigger can be done in different ways.

In vielen Fällen ist die Sendespule Bestandteil eines Oszillators, der durch den metallischen Auslöser verstimmt wird. Ausgewertet wird die Amplitude und/oder die Frequenzänderung.In many cases, the transmitter coil is part of an oscillator, which is detuned by the metallic shutter release. The amplitude and / or the frequency change is evaluated.

Neben der weit verbreiteten sinusförmigen Ansteuerung der Sendespule und der Bewertung von Frequenz- und oder Amplitudenänderungen ist die Ansteuerung mit kurzen Sendeimpulsen bekannt. Die Sendespule ist in diesem Fall nicht Bestandteil eines Oszillators, sondern sie wird mit kräftigen, meist rechteckförmigen Spannungs- bzw. Stromimpulsen beaufschlagt. Der durch die im metallischen Auslöser hervorgerufenen Wirbelströme ausgelöste Echoimpuls wird ausgewertet. Diese Auswertung kann sowohl direkt an der Sendespule als auch an einer magnetisch gekoppelten Empfangsspule erfolgen.In addition to the widespread sinusoidal control of the transmitter coil and the evaluation of frequency and or amplitude changes, the control with short transmission pulses is known. The transmitter coil is in this case not part of an oscillator, but it is subjected to powerful, usually rectangular voltage or current pulses. The echo pulse triggered by the eddy currents produced in the metallic trigger is evaluated. This evaluation can be carried out both directly on the transmitting coil and on a magnetically coupled receiving coil.

Empfangs- und Sendespule bilden auch in diesem Fall einen durch die Wirbelströme im metallischen Auslöser beeinflussten Transformator.Receiving and transmitting coil also form in this case a influenced by the eddy currents in the metallic shutter transformer.

Der wohl einfachste Aufbau wird in der DE 3525070 A1 gezeigt. Hier wird eine Spule periodisch für kurze vorgegebene Zeitintervalle über einen elektronischen Schalter mit einer Stromquelle verbunden. Das Signal über der Spule wird gleichgerichtet, verstärkt und nach einer Analog-Digital-Wandlung in einem μC ausgewertet.Probably the simplest construction will be in the DE 3525070 A1 shown. Here, a coil is periodically connected to a power source via an electronic switch for short predetermined time intervals. The signal across the coil is rectified, amplified and evaluated after an analog-to-digital conversion in a μC.

Da das Abklingen des Sendepulses abgewartet werden muss, ist zwischen Gleichrichter und A/D-Wandler ein Abtastschalter angeordnet. So wird die A/D-Wandlung um eine vorgegebene Zeitspanne gegenüber dem Sendepuls verzögert. Die Anordnung ist allerdings als Magnetfeldsensor konzipiert, so dass Störfelder nicht von einem Messsignal getrennt werden müssen.Since the decay of the transmission pulse has to wait, a sampling switch is arranged between the rectifier and the A / D converter. Thus, the A / D conversion is delayed by a predetermined period of time relative to the transmission pulse. However, the arrangement is designed as a magnetic field sensor so that interference fields do not have to be separated from a measurement signal.

Diese Schaltung ist prinzipiell auch zum Nachweis eines metallischen Auslösers geeignet. Nachteilig ist allerdings, dass eventuell vorhandene Störfelder voll in die Messung eingehen und der Sendepuls nicht ausreichend unterdrückt wird.This circuit is in principle also suitable for the detection of a metallic trigger. The disadvantage, however, is that any interference fields are fully included in the measurement and the transmission pulse is not sufficiently suppressed.

Die DE 10064507 A1 beschreibt einen magnetfeldempfindlichen Näherungsschalter mit einem magnetfeldfesten Oszillator. Ein vom Oszillator getrenntes induktives Kopplungselement wird mit dem Detektionsmagnetfeld beaufschlagt, wobei die induktive Kopplung an den Oszillator durch das Detektionsmagnetfeld beeinflussbar ist. So lässt sich ein induktiver Näherungsschalter auf einfache Weise in einen magnetfeldempfindlichen umwandeln.The DE 10064507 A1 describes a magnetic field-sensitive proximity switch with a magnetic field-fixed oscillator. A separate from the oscillator inductive coupling element is subjected to the detection magnetic field, wherein the inductive coupling to the oscillator can be influenced by the detection magnetic field. Thus, an inductive proximity switch can be easily converted into a sensitive magnetic field.

Um die störenden Einflüsse von eingestreuten Magnetfeldern zu eliminieren, wird in der EP 936740 B1 die Polarität bei jedem Sendestromimpuls gewechselt, so dass sich keine störende Stromakkumulation in dem nachzuweisenden metallischen Auslöser einstellen kann.In order to eliminate the disturbing influences of interspersed magnetic fields, is in the EP 936740 B1 the polarity is changed at each transmission current pulse, so that no disturbing current accumulation can be set in the metallic trigger to be detected.

Weiterhin sinkt der Aufwand im Verstärker, da statt der Gleichspannung eine Wechselspannung verstärkt werden muss. Somit können auch die bei Gleichspannungsverstärkern auftretenden Driftprobleme vermieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das vollständige Abklingen des Nutzsignals nicht abgewartet werden muss. Mit Hilfe von Zenerdioden wird der beim Abschalten des Sendestroms auftretende Induktionsstrom weitgehend gegen Masse abgeleitet.Furthermore, the effort in the amplifier decreases because instead of the DC voltage an AC voltage must be amplified. Thus, the drift problems associated with DC amplifiers can be avoided. Another advantage is that the complete decay of the useful signal does not have to wait. With the help of Zener diodes occurring when switching off the transmission current induction current is largely dissipated to ground.

Das kann allerdings wegen der verbleibenden Flussspannung der Zenerdioden nicht vollständig gelingen. Die Zenerdioden stellen zwar einen wirksamen Überspannungsschutz dar, sind aber nicht geeignet eine hochempfindliche Messung bei schwankenden Betriebstemperaturen zu gewährleisten.However, this can not be completely successful because of the remaining forward voltage of the Zener diodes. Although the zener diodes provide effective overvoltage protection, they are not suitable for ensuring a highly sensitive measurement at fluctuating operating temperatures.

Als Nachteil wird also die unzureichende Unterdrückung des Sendeimpulses mit einer aus zwei antiparallel geschalteten Zenerdioden nebst Vorwiderständen bestehenden Spannungsbegrenzerschaltung, unzureichende Temperaturstabilität, sowie der mit der Brückenschaltung verbundene schaltungstechnische Aufwand angesehen.As a disadvantage, therefore, the insufficient suppression of the transmitted pulse with a two antiparallel-connected Zener diodes together with series resistors Spannungsbegrenzerschaltung, insufficient temperature stability, as well as connected to the bridge circuit circuit complexity is considered.

Eine wirksame Unterdrückung des Sendeimpulses kann wie in der DE 10003913 A1 durch zwei gegensinnig in Reihe geschaltete Empfangspulen erreicht werden, wobei eine der beiden Empfangsspulen dem metallischen Auslöser zugewandt und die andere Empfangsspule dem metallische Auslöser abgewandt ist. Ausgewertet wird das Differenzsignal der beiden Empfangsspulen. Man spricht in diesem Fall von einem Differenzialtransformator. Um den mechanische Abgleich der Koppelfaktoren zwischen Sende- und Empfangsspule zu erleichtern, können auch zwei Spulenpaare, d. h. je eine Sende- und eine Empfangsspule transformatorisch gekoppelt werden. Im Idealfall ist nur eines der beiden Spulenpaare magnetisch mit dem metallischen Auslöser gekoppelt. So sollen nicht nur die Sendepulse sondern auch eingestreute Störfelder kompensiert werden. An effective suppression of the transmission pulse can, as in the DE 10003913 A1 be achieved by two oppositely connected in series receiving coils, one of the two receiving coils facing the metallic trigger and the other receiving coil is facing away from the metallic trigger. The difference signal of the two receiver coils is evaluated. One speaks in this case of a differential transformer. In order to facilitate the mechanical adjustment of the coupling factors between transmitting and receiving coil, two pairs of coils, ie one transmitting and one receiving coil can be coupled in a transformer. Ideally, only one of the two coil pairs is magnetically coupled to the metallic trigger. So not only the transmission pulses but also interspersed interference fields should be compensated.

Nachteilig ist, dass nicht nur der metallische Auslöser, sondern auch äußere Störfelder unterschiedlich stark auf die beiden räumlich getrennten Empfangsspulen einwirken, so dass auch bei optimalem Abgleich keine vollständige Kompensation erfolgen kann. Durch diese Effekte kann es sowohl zur Herabsetzung der Sensorempfindlichkeit als auch zur Verschlechterung der Störfestigkeit kommen.The disadvantage is that not only the metallic trigger, but also external interference different degrees of force acting on the two spatially separated receiving coils, so that even with optimal balance no complete compensation can be made. These effects can reduce both sensor sensitivity and degrade immunity.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik weiter zu entwickeln. Neben einer wirksamen Unterdrückung der Sendeimpulse sollen die Störfestigkeit und das Temperaturverhalten verbessert werden. Darüber hinaus soll ein energiesparender induktiver Näherungsschalter angegeben werden, der auch für Miniaturgeräte und Zweileitergeräte mit geringem Reststrom geeignet ist.The object of the invention is to further develop the state of the art. In addition to an effective suppression of the transmission pulses, the immunity to interference and the temperature behavior to be improved. In addition, an energy-saving inductive proximity switch is to be specified, which is also suitable for miniature devices and two-wire devices with low residual current.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved according to the features of patent claim 1. The subclaims relate to advantageous developments of the invention.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, auch in den Sendepausen zu messen, wenn der Sendeimpuls garantiert abgeklungen ist. Auf diese Weise können eventuell vorhandenen Störsignale bei der Weiterverarbeitung vom Messsignal abgezogen werden. Das kann sowohl analog als auch in einen Mikrocontroller geschehen. Um eine frühzeitige Messung des Echosignals zu ermöglichen, aber einen Verlust an Schaltfrequenz zu vermeiden, muss aber für ein schnelles Abklingen des Magnetfeldes gesorgt werden. Das geschieht in vorteilhafter Weise durch eine Entmagnetisierungsspule. Anstatt diese Energie über einen Widerstand in Wärme umzuwandeln, kann die Spulenrestenergie gleichgerichtet und dem System wenigstens teilweise als elektrische Energie zurückgegeben werden. Das senkt den Stromverbrauch und verringert die Eigenerwärmung des Gerätes. Das ist besonders vorteilhaft für Miniaturgeräte.The essential idea of the invention is to measure even in the transmission pauses, when the transmission pulse has guaranteed decayed. In this way any interfering signals that may be present during further processing can be subtracted from the measuring signal. This can be done both analog and in a microcontroller. In order to allow an early measurement of the echo signal, but to avoid a loss of switching frequency, but must be ensured for a rapid decay of the magnetic field. This is done advantageously by a degaussing coil. Instead of converting this energy into heat via a resistor, the residual coil energy can be rectified and at least partially returned to the system as electrical energy. This reduces the power consumption and reduces the self-heating of the device. This is especially beneficial for miniature devices.

Darüber hinaus kann mit der wieder gewonnenen Sendeenergie eine zusätzliche negative Betriebsspannung erzeugt werden. Das bringt Vorteile bei der Beschaltung von Operationsverstärkern.In addition, an additional negative operating voltage can be generated with the recovered transmission energy. This brings advantages in the wiring of operational amplifiers.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, den Sendepuls möglichst kurz zu halten. Da nur der Abschaltstrom für das Sensorsignal relevant ist, wird der wegen der Induktivität der Sendespule verzögert ansteigende Sendestrom gemessen und genau bei Erreichen des gewünschten Stromwertes abgeschaltet. So ist der Sendeimpuls nicht nur unabhängig von der Betriebsspannung, sondern auch vom ohmschen Widerstand der Sendespule.Another aspect of the invention is to keep the transmission pulse as short as possible. Since only the turn-off current for the sensor signal is relevant, the delayed due to the inductance of the transmitting coil rising transmission current is measured and turned off exactly on reaching the desired current value. Thus, the transmit pulse is not only independent of the operating voltage, but also of the ohmic resistance of the transmitting coil.

Neben der weiteren Reduzierung der umgesetzten Verlustleistung wirkt sich das positiv auf die Schaltfrequenz aus.In addition to the further reduction of the converted power loss, this has a positive effect on the switching frequency.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 einen erfindungsgemäßer Näherungsschalter in detaillierter Ausführung, 1 an inventive proximity switch in more detail,

2 einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit negativer Betriebsspannung, 2 a proximity switch according to the invention with negative operating voltage,

3 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters, 3 a simplified representation of a proximity switch according to the invention,

4 ein Impulsdiagramm des in 1 beschriebenen Näherungsschalters. 4 a timing diagram of the in 1 described proximity switch.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter in detaillierter Ausführung. Die Sensoreinheit 11 besteht aus einem Differenzialtransformator (LVDT) mit zwei in Reihe geschalteten Sendespulen LS, zwei antiseriell geschalteten Empfangsspulen LE und zwei in Reihe geschalteten Entmagnetisierungsspulen LR. 1 shows a proximity switch according to the invention in more detail. The sensor unit 11 consists of a differential transformer (LVDT) with two series-connected transmit coils LS, two anti-serially connected receive coils LE and two demagnetization coils LR connected in series.

Der mit einem Schmitt-Trigger Inverter bestückte Taktgeber 1 erzeugt ein symmetrisches Rechtecksignal der Periodenlänge τ1 = 0,555·(R1·C1).The clock equipped with a Schmitt trigger inverter 1 generates a symmetric square wave signal of the period length τ1 = 0.555 · (R1 · C1).

Wenn sein Ausgang auf H liegt, ist der Eingang der Verzögerungseinheit 2 auf L. Das D-Flip-Flop aus dem Impulsgeber 3 ist noch gelöscht, d. h. sein Ausgang Q befindet sich auf L. Damit ist der Transistor T4 gesperrt und der Ausgang der variablen Verzögerungseinheit 4 auf H. So lange der Ausgang des Taktgebers 1 ebenfalls noch auf H ist, sind beide Eingange des XOR-Gatters 5 auf H und sein Ausgang auf L.If its output is high, the input is the delay unit 2 on L. The D flip-flop from the pulse generator 3 is still cleared, ie its output Q is at L. Thus, the transistor T4 is disabled and the output of the variable delay unit 4 on H. As long as the output of the clock 1 also still on H are both inputs of the XOR gate 5 on H and its output on L.

Die fallende Flanke des Taktgebers 1 schaltet das XOR-Gatter 5 „H”, weil der andere Eingang zu diesem Zeitpunkt noch auf „L” liegt.The falling edge of the clock 1 switches the XOR gate 5 "H" because the other input is still at "L" at this time.

Da die Auslösung des Sendeimpulses durch die parallel angesteuerte Verzögerungseinheit 2 verzögert wird, erfolgt eine weiter unten näher beschriebene erste Abtastung der beiden antiseriell geschalteten Empfangsspulen zwar noch in der Sendepause, aber unmittelbar vor dem Sendeimpuls und wie später noch gezeigt wird, eine zweite Abtastung in einem Zeitfenster nach dem Ende des Sendeimpulses.Since the triggering of the transmission pulse by the parallel-triggered delay unit 2 is delayed, carried out in detail further below described first sampling of the two anti-serially connected receiver coils while still in the transmission pause, but immediately before the transmit pulse and as will be shown later, a second scan in a time window after the end of the transmit pulse.

Die Verzögerungseinheit 2 gibt das invertierte Taktsignal verzögert an den Impulsgeber 3 weiter. Da der Dateneingang D des D-Flip-Flop AC14/1 auf Betriebsspannungspotential liegt, wird es durch die steigende Taktflanke gesetzt. Der mit dem Ausgang Q des Flip-Flops verbundene Transistor T4 entlädt nun den Speicherkondensator C4 und der Ausgang der variablen Verzögerungseinheit 4 geht auf L. Da sich der mit dem Ausgang des Taktgebers 1 verbundene Eingang des XOR-Gatters 5 ebenfalls auf L befindet, geht sein Ausgang auch auf L.The delay unit 2 Delays the inverted clock signal to the pulse generator 3 further. Since the data input D of the D flip-flop AC14 / 1 is at operating voltage potential, it is set by the rising clock edge. The transistor T4 connected to the output Q of the flip-flop now discharges the storage capacitor C4 and the output of the variable delay unit 4 goes to L. As with the output of the clock 1 connected input of the XOR gate 5 also on L, its output goes to L.

Die 4 parallel geschalteten Schmitt-Trigger Inverter HC14/3-6 schalten den N-Kanal-MOS-FET T1 vom Typ BSP295 ein.The 4 Schmitt trigger inverters HC14 / 3-6 connected in parallel switch on the N-channel MOS-FET T1 of type BSP295.

Der parallel zum Takteingang des D-Flip-Flops über das Differenzierglied R3–C3 angesteuerte Transistor T2 sorgt für die Ausblendung der Nadelimpulse, die beim Aufladen der Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors T1 entstehen.The parallel to the clock input of the D flip-flops via the differentiator R3-C3 controlled transistor T2 provides for the suppression of the needle pulses, which arise during charging of the gate-source capacitance of the field effect transistor T1.

T1 erzeugt nun einen linear ansteigenden Stromimpuls durch die Sendespulen LS, dessen Maximalwert vom Strommesswiderstand RM und dem am nichtinvertierenden Eingang des als Komparator arbeitenden OV1 anstehenden Potential Uref abhängt. Erreicht die Spannung über dem Widerstand RM den Wert Uref, so geht der Ausgang von OV1 auf Massepotential und setzt das D-Flip-Flop AC74/1 zurück. Die 4 parallel geschalteten Schmitt-Trigger-Inverter HC14/3-6 entladen die Gate-Source-Kapazität des Feldeffekttransistors T1 schnell und erzeugen damit eine steile Abschaltflanke für den Sendestrom.T1 now generates a linearly increasing current pulse through the transmitting coils LS, the maximum value of which depends on the current measuring resistor RM and the potential Uref present at the noninverting input of the comparator OV1. If the voltage across the resistor RM reaches the value Uref, the output of OV1 goes to ground potential and resets the D-flip-flop AC74 / 1. The 4 Schmitt trigger inverters HC14 / 3-6 connected in parallel rapidly discharge the gate-source capacitance of the field-effect transistor T1 and thus generate a steep switch-off edge for the transmission current.

Der Strommesswiderstand RM bestimmt den maximalen Sendestrom unabhängig vom Temperaturverhalten des ohmschen Widerstandes der Sendespulen.The current measuring resistor RM determines the maximum transmission current, regardless of the temperature behavior of the ohmic resistance of the transmitting coil.

Beim Abschalten des Sendestroms geht der Ausgang O des D-Flip-Flops AC74/1 auf „L” und sperrt den Transistor T4. Der gesperrte Transistor T4 erlaubt nun die Aufladung des Kondensators C4. Die Länge der Haltezeit des Monoflops wird von dem als Stromquelle wirkenden Transistor T3 bestimmt. Zur Variation der Haltezeit kann er von einem Mikrocontroller mit einem pulsweitenmodulierten (PWM-)Signal angesteuert werden. Auf diese Weise lässt sich das Abtastfenster für den Echoimpuls verschieben. Nachdem der Kondensator C4 aufgeladen ist, geht der Ausgang des mit den Schmitt-Trigger Invertern HC14/7 und HC14/8 bestückte Monoflop 4 „H”. Der mit dessen Ausgang verbundene Eingang des XOR-Gatters 5 geht nun ebenfalls auf H, weil sein anderer Eingang mit dem immer noch auf L befindlichen Ausgang des Taktgenerators 1 verbunden ist.When switching off the transmission current, the output O of the D flip-flop AC74 / 1 goes to "L" and blocks the transistor T4. The blocked transistor T4 now allows the charging of the capacitor C4. The length of the hold time of the monoflop is determined by the transistor T3 acting as the current source. To vary the hold time, it can be controlled by a microcontroller with a pulse width modulated (PWM) signal. In this way, the sampling window for the echo pulse can be moved. After the capacitor C4 has been charged, the output of the monoflop equipped with the Schmitt trigger inverters HC14 / 7 and HC14 / 8 goes 4 "H". The input of the XOR gate connected to its output 5 Now also goes to H, because his other input with the still on L output of the clock generator 1 connected is.

Mit diesem Signal wird der Kurzzeitimpulsgenerator 6 aktiviert. Dieser erzeugt schmale Impulse, die zur Ansteuerung des mit A749/1 bezeichneten Analogschalters ADG749 genutzt werden, der in Verbindung mit den Operationsverstärkern OV2 und OV3 einen zeitgesteuerten Empfänger 7 (Abtast-Halteschaltung) bildet, mit dessen Hilfe das vom Target hervorgerufene Echosignal abgetastet wird.With this signal, the short-time pulse generator 6 activated. This generates narrow pulses, which are used to drive the A749 / 1 designated analog switch ADG749, in conjunction with the operational amplifiers OV2 and OV3 a timed receiver 7 (Sample and hold circuit), with the help of which the echo signal generated by the target is sampled.

Das am Ausgang des zeitgesteuerten Empfängers 7 entstehende niederfrequente Rechtecksignal wird dem Verstärker 8 zugeführt. Der mit A749/2 bezeichnete Analogschalter ADG749 beeinflusst den Verstärkungsfaktor, so dass eine Messbereichsumschaltung (nah/fern) bzw. (Sendepuls/Echosignal) möglich ist. Der Ausgang des Verstärkers 8 ist mit dem Präzisionsgleichrichter 9 verbunden. Das vom Präzisionsgleichrichter 9 gelieferte Signal wird vom Tiefpass 10 geglättet. Um seine die Zeitkonstante kurz zu halten, wurde ein Tiefpass dritter Ordnung gewählt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass man sowohl auf den Tiefpass 10 als auch den Präzisionsgleichrichter 9 verzichten kann, wenn man das vom Verstärker 8 gelieferten Signal einem AD/Wandler zuführt und digital weiter verarbeitet. Die Spulenwicklungen LR sorgt einerseits für ein schnelleres Abklingen des Sendeimpulses und dient andererseits zur Energierückgewinnung. Dazu wird der Kondensator CR über die Schottky-Diode DR aufgeladen. Somit steht ein Teil des Sendeimpulses als zurückgewonnene elektrische Energie wieder zur Verfügung.That at the output of the timed receiver 7 resulting low-frequency square wave signal is the amplifier 8th fed. The analog switch ADG749, designated A749 / 2, affects the amplification factor so that a range switchover (near / far) or (transmit pulse / echo signal) is possible. The output of the amplifier 8th is with the precision rectifier 9 connected. The precision rectifier 9 delivered signal is from the low pass 10 smoothed. To keep his time constant short, a third-order low pass was chosen. At this point it should be noted that you both on the low pass 10 as well as the precision rectifier 9 can do without the amplifier 8th supplied signal to an AD / converter and further processed digitally. The coil windings LR ensures on the one hand for a faster decay of the transmission pulse and on the other hand serves for energy recovery. For this purpose, the capacitor CR is charged via the Schottky diode DR. Thus, part of the transmitted pulse is available again as recovered electrical energy.

2 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter mit symmetrischer Betriebsspannung. Wie bereits oben erwähnt, wird die von der Entmagnetisierungsspule LR gewonnene Energie zur Erzeugung einer negativen Versorgungsspannung verwendet, so dass die Operationsverstärker nun symmetrisch versorgt werden können, was deren Beschaltung vereinfacht. 2 shows a proximity switch according to the invention with symmetrical operating voltage. As already mentioned above, the energy obtained by the degaussing coil LR is used to generate a negative supply voltage, so that the operational amplifiers can now be supplied symmetrically, which simplifies their wiring.

Da auf den Differentialtransformator verzichtet wurde, besteht die Sensoreinheit 11 nur noch aus drei auf einem gemeinsamen Schalenkern untergebrachten Spulen. Da auf die zweite, gegensinnig gewickelte Empfangsspule verzichtet wurde, wird der Sendeimpuls nun nicht mehr ausgelöscht. Die Abtasteinheit 7 muss durch einen Vorwiderstand und zwei antiparallel geschaltete Dioden geschützt werden, wobei eine Diode vorzugsweise für den Sendeimpuls und die zweite als Schutzdiode für den Eingang der Abtasteinheit 7 wirkt. Wegen der Signalbegrenzung durch die Dioden gehen etwa 5 μs von der Abtastzeit verloren. Diese kostengünstigere Anordnung erschwert Messungen dicht nach der Stromabschaltung. Der Verzicht auf die Differenzbildung führt zwangsläufig zu Reichweitenverlusten. Deshalb ist diese Variante nur für einfachere Geräte mit geringer Reichweite empfehlenswert. Die übrige Schaltung entspricht bis auf die symmetrische Spannungsversorgung der in der 1 gezeigten Anordnung.Since the differential transformer has been dispensed with, the sensor unit exists 11 only from three housed on a common shell core coils. Since the second, oppositely wound receiving coil has been omitted, the Transmit pulse no longer extinguished. The scanning unit 7 must be protected by a series resistor and two diodes connected in anti-parallel, one diode preferably for the transmission pulse and the second as a protective diode for the input of the scanning unit 7 acts. Due to the signal limitation by the diodes, approximately 5 μs are lost from the sampling time. This lower cost arrangement complicates measurements close to power off. The waiver of the difference leads inevitably to range losses. Therefore, this variant is only recommended for simpler devices with a short range. The rest of the circuit corresponds to the symmetrical power supply in the 1 shown arrangement.

3 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters. Die Funktionen der meisten Baugruppen wird von einem Mikrocontroller μC übernommen. Der Sendetransistor T1, die Abtasteinheit 7 (S&H) und der Strommesswiderstand RM sind separat dargestellt. Der materielle Aufwand kann auf diese Weise erheblich gesenkt werden. Da die Frequenz des Abtastsignals nur wenige kHz beträgt, kann das verstärkte Abtastsignal digitalisiert und sofort im μC weiterverarbeitet werden. Damit lässt sich die Schaltfrequenz werter erhöhen. 3 shows a highly simplified representation of the inductive proximity switch according to the invention. The functions of most modules are taken over by a microcontroller μC. The transmitting transistor T1, the scanning unit 7 (S & H) and the current measuring resistor RM are shown separately. The material expenditure can be considerably reduced in this way. Since the frequency of the sampling signal is only a few kHz, the amplified sampling signal can be digitized and processed immediately in μC. This makes it possible to increase the switching frequency even more.

Wenn man auf den Aufwand von immerhin 2 Schalenkernen mit 6 Spulenwicklungen verzichten möchte, kann man die Sendespulen und die Entmagnetisierungsspulen zusammenfassen, so dass nur noch 4 Spulen auf einem stabförmigen Kern unterzubringen sind. Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter kann aber auch wie oben gezeigt, ohne den Differenzialtransformator verwirklicht werden.If you want to dispense with the expense of at least 2 shell cores with 6 coil windings, you can summarize the transmitter coils and the demagnetization, so that only 4 coils are to be accommodated on a rod-shaped core. However, the inductive proximity switch according to the invention can also be realized without the differential transformer as shown above.

4 zeigt das Impulsdiagramm für einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter. Im unteren Bereich ist eine halbe Periode des vom Taktgenerator 1 erzeugten symmetrischen Rechtecksignals dargestellt. Die Periodenlänge beträgt τ1. 4 shows the timing diagram for a proximity switch according to the invention. In the lower part is half the period of the clock generator 1 generated symmetrical square wave signal shown. The period length is τ1.

Die fallende Taktflanke löst zum Zeitpunkt t0 eine Messung aus. Die Breite τ0 des Abtastfensters wird vom Kurzzeitgenerator 6 bestimmt.The falling clock edge triggers a measurement at the time t0. The width τ0 of the sampling window is from the short-term generator 6 certainly.

Nach der durch die parallel angesteuerte Verzögerungseinheit 2 bestimmten Verzögerungszeit τ2 > τ0 wird im Zeitpunkt t1 der Sendeimpuls ausgelöst. Der Sendestrom steigt so lange an, bis die Spannung über dem Messwiderstand RM die Komparatorschwelle Uref vom OV1 erreicht. Dieser Zeitpunkt ist im Diagramm mit t2 bezeichnet. Da der Transistor T2 lediglich ein vorzeitiges Abschalten des Komparators verhindert, ist sein Einfluss auf den Kurvenverlauf nicht dargestellt. Mit dem Ende des Sendeimpulses wurde auch das Monoflop 4 ausgelöst. Nach Ablauf seiner durch den von einem Mikrokontroller μC mit einem PWM-Signal angesteuerten Transistor T3 und den Kondensator C4 bestimmten Zeitkonstanten τ3 erfolgt zum Zeitpunkt t3 eine weitere Messung. Die Breite des Abtastfensters beträgt wiederum τ0. Der optimale Messzeitpunkt wird wir bereits erwähnt über den Transistor T3 eingestellt. Nach Ablauf der Periode τ1 beginnt der Vorgang mit der nächsten fallenden Taktflanke von neuem. Am Eingang des Verstärkers 8 entsteht ein Rechtecksignal. Dieses Signal entspricht dem Echosignal abzüglich des Hintergrundsignals in der Sendepause. Die Differenz der beiden Abtastwerte ist das Nutzsignal. Wie bereits oben erwähnt, kann die Verarbeitung auch ohne Gleichrichtung in einem μC erfolgenAfter passing through the parallel driven delay unit 2 certain delay time τ2> τ0 the transmit pulse is triggered at the time t1. The transmission current increases until the voltage across the measuring resistor RM reaches the comparator threshold Uref from the OV1. This time is indicated in the diagram by t2. Since the transistor T2 only prevents a premature shutdown of the comparator, its influence on the curve is not shown. With the end of the transmission pulse was also the monoflop 4 triggered. After expiration of its time constant τ3, which is determined by the transistor T3 controlled by a microcontroller μC with a PWM signal, and the capacitor C4, a further measurement takes place at the time t3. The width of the sampling window is again τ0. The optimal measurement time is already mentioned above the transistor T3. After expiration of period τ1, the process begins again with the next falling clock edge. At the entrance of the amplifier 8th creates a square wave signal. This signal corresponds to the echo signal minus the background signal in the transmission pause. The difference between the two samples is the wanted signal. As already mentioned above, the processing can also take place without rectification in a μC

Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Betreiben des induktiven Näherungsschalters. Zur Verbesserung der Störfestigkeit soll nicht nur das von Target gesendete Echo des Sendepulses, sondern auch in der Pause zwischen den Sendeimpulsen gemessen werden. Der beste Zeitpunkt ist nach Abklingen eines Sendeimpulses, d. h. unmittelbar vor dem nächsten Sendeimpuls. Der optimale Zeitpunkt für die Messung des vom Target hervorgerufenen Echosignals hängt vom Abstand und der Beschaffenheit des Targets, wie Leitfähigkeit, Permeabilität und Geometrie ab und wird deshalb variabel gestaltet.The invention also includes a method of operating the inductive proximity switch. To improve the immunity to interference, not only the echo of the transmission pulse sent by Target, but also in the interval between the transmission pulses should be measured. The best time is after the decay of a transmit pulse, i. H. immediately before the next transmission pulse. The optimal time for the measurement of the echo signal generated by the target depends on the distance and the nature of the target, such as conductivity, permeability and geometry and is therefore variable.

Durch Subtraktion der beiden Messwerte können Störungen, Offset und Drift weitgehend ausgeblendet werden. Das kann schnell und preiswert in einem Mikrocontroller, aber auch in einer analogen Schaltung geschehen.By subtracting the two measured values, disturbances, offset and drift can be largely masked out. This can be done quickly and inexpensively in a microcontroller, but also in an analog circuit.

Um trotz der Messung in der Sendepause eine hohe Schaltfrequenz zu erreichen wird der Abbau des durch den Sendeimpuls hervorgerufenen Magnetfeldes durch eine Entmagnetisierungsspule beschleunigt.In order to achieve a high switching frequency despite the measurement in the transmission break, the degradation of the magnetic field caused by the transmission pulse is accelerated by a degaussing coil.

Der in der Entmagnetisierungsspule induzierte Strom wird jedoch nicht in Wärme umgewandelt, sondern gleichgerichtet und dem Gerät als elektrische Energie zurückgegeben.However, the current induced in the degaussing coil is not converted into heat, but rectified and returned to the device as electrical energy.

Die damit verbundene Verbesserung des Wirkungsgrades führt zu geringerer Eigenerwärmung und ist deshalb besonders vorteilhaft für Miniaturgeräte. Wegen des geringeren Strombedarfs können auch Zweileitergeräte mit hoher Reichweite realisiert werden.The associated improvement in efficiency leads to lower self-heating and is therefore particularly advantageous for miniature devices. Because of the lower power requirement, two-wire devices with a long range can also be realized.

Bei einer unipolaren Stromversorgung kann auf einfache Weise eine zweite Versorgungsspannung für die Operationsverstärker gewonnen werden.In a unipolar power supply, a second supply voltage for the operational amplifier can be obtained in a simple manner.

Um den Energieverbrauch weiter zu senken wird der Sendetransistor nur solange durchgeschaltet, bis der gewünschte Sendestrom erreicht ist. Da die Induktivität den Stromanstieg verzögert, wird der Sendestrom gemessen und bei Erreichen des gewünschten Wertes abgeschaltet. Der Sendetransistor arbeitet dabei als verlustarmer elektronischer Schalter. So wird jede unnötige Erwärmung des Gerätes vermieden einen hohe Schaltfrequenz gewährleistet. Der Sendeimpuls bekommt deshalb, den in 4 gezeigten sägezahnförmigen Verlauf.To further reduce energy consumption, the transmit transistor is only turned on until the desired transmit current is reached. Since the inductance delays the current increase, the transmission current is measured and switched off when the desired value is reached. The transmit transistor operates as a low-loss electronic switch. Thus, any unnecessary heating of the device is avoided ensuring a high switching frequency. The transmission pulse therefore gets the in 4 shown sawtooth course.

Diese Maßnahme wird besonders vorteilhaft mit der o. g. Entmagnetisierung verbunden. Sie kann aber auch ohne Entmagnetisierung realisiert werden. Die Abtastung erfolg somit erfindungsgemäß einem festen Zeitabstand vor dem Sendeimpuls und in einem variablen Zeitabstand nach dem Ende des Sendeimpulses.This measure is particularly advantageous with the o. G. Degaussing connected. But it can also be realized without demagnetization. The scanning thus succeeds according to the invention a fixed time interval before the transmission pulse and at a variable time interval after the end of the transmission pulse.

Ein wichtiger „Nebeneffekt” besteht darin, dass die Amplitude des Sendeimpulses unabhängig von der Temperatur der Sendespule konstant gehalten wird. Immerhin resultieren etwa 80% der Temperaturdrift bei induktiven Näherungsschaltern aus dem Temperaturgang des ohmschen Widerstandes der Sendespule.An important "side effect" is that the amplitude of the transmit pulse is kept constant, regardless of the temperature of the transmit coil. After all, about 80% of the temperature drift in inductive proximity switches resulting from the temperature response of the ohmic resistance of the transmitting coil.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Taktgeneratorclock generator
22: feste Verzögerungseinheitfixed delay unit
33: Impulsgeberpulse
44: Variable Verzögerungseinheit (Monoflop)Variable delay unit (monoflop)
55: Verknüpfungseinheit (XOR Verknüpfung)Link unit (XOR link)
66: KurzimpulsgeneratorShort pulse generator
77: Abtasteinheit (zeitgesteuerter Empfänger)Scanning Unit (Timed Receiver)
88th: Verstärker (mit Messbereichsumschaltung)Amplifier (with measuring range switchover)
99: Gleichrichter (Präzisionsgleichrichter)Rectifier (precision rectifier)
1010: Tiefpass (3. Ordnung)Low pass (3rd order)
1111: Sensoreinheitsensor unit
CRCR: Ladekondensatorcharging capacitor
DRDR: Gleichrichter, DiodeRectifier, diode
LSLS: Sendespuletransmitting coil
LELE: Empfangsspulereceiving coil
LRLR: Entmagnetisierungsspuledegaussing
RMRM: Messwiderstand (Strommesswiderstand)Measuring resistor (current measuring resistor)
SS: Sendeimpulstransmission pulse
Ee: Echoimpulsecho pulse
TT: Targettarget

Claims

Inductive proximity switch with a transmitting coil (LS), a receiving coil (LE) and a pulse generator (3), characterized in that a demagnetization coil (LR) is provided, which ensures a faster decay of the magnetic field and a rectifier (DR) with a Charging capacitor (CR) is connected to the internal power supply of the proximity switch.

Inductive proximity switch according to claim 1, characterized in that the energy obtained from the degaussing coil (LE) is used to generate a negative operating voltage.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the one sensor unit ( 11 ) of the inductive proximity switch has a transmitting coil (LS), two antiserial receiving coils (LE) and a degaussing coil (LR).

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, with a clock generator ( 1 ), a fixed delay unit ( 2 ), a pulse generator ( 3 ), a variable delay unit ( 4 ), a scanning unit ( 7 ), characterized in that the scanning unit ( 7 ), the receiving coil (LE) at a fixed time interval before a transmission pulse (S) and at a variable interval after the end of the transmission pulse (S) scans.

Inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the pulse generator ( 3 ) has a measuring resistor (RM) for measuring the transmission current and the length of the transmitted pulse (S) depends on reaching a predetermined current in the transmitting coil.

Method for operating an inductive proximity switch according to one of the preceding claims, characterized in that the degradation of the magnetic field caused by the transmission pulse (S) accelerated by the Entmagnetisierungsspule (LR) rectified in the Entmagnetisierungsspule (LR) induced current and the device as electrical Energy is returned.

Method for operating an inductive proximity switch according to claim 6, characterized in that the receiving coil (LE) are sampled at a fixed time interval before the transmission pulse (S) and at a variable time interval after the end of the transmission pulse (S).

Method for operating an inductive proximity switch, according to claim 6 or 7, characterized in that the length of the transmitted pulse is dependent on reaching a predetermined transmission current.