-
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 2.
-
Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt.
-
Sie enthalten eine Sendespule, die ein 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.
-
Schaltgeräte dieser Art werden in den verschiedensten Ausführungen unter anderem auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
-
Hierbei kann sowohl die Ansteuerung der Sendespule als auch die Bewertung des Einflusses des metallischen Auslösers auf unterschiedliche Art erfolgen. In vielen Fällen ist die Sendespule Bestandteil eines Oszillators, der durch den metallischen Auslöser verstimmt wird. Ausgewertet wird die Amplitude und/oder die Frequenzänderung.
-
Problematisch sind hierbei die Materialeigenschaften des Auslösers, die bei gleicher Geometrie hauptsächlich wegen ihrer unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeit bzw. magnetischen Permeabilität bei unterschiedlichen Abständen zum Schalten führen.
-
Die
DE19947380A1 zeigt einen induktiven Naherungssensor und ein Verfahren zu seinem Betrieb. Um vom Material des Auslösers unabhängig zu werden, wird die komplexe Impedanz einer Schwingkreisspule mit einem Spannungsteiler gemessen und als komplexes Spannungsteilerverhältnis in Abhängigkeit von Abstand und Material des Auslösers bewertet. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Referenzschwingkreis vom gleichen Generator parallel über einen Vorwiderstand gespeist und mit einem Differenzverstärker ausgewertet (siehe
1).
-
Als nachteilig wird die Auswertung eines hochfrequenten Signals, sowie meist temperaturabhängige Drifterscheinungen in Form von Verstimmungen zwischen dem Generator und den beiden Schwingkreisen angesehen.
-
Die
WO 03/063986A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit mehreren Sensorspulen, die auch als Referenzspulen dienen, wobei die Spulen mittels eines Multiplexers auswählbar sind und die Auswerteschaltung fest mit dem LC-Oszillator verbunden ist und das erfasste Signal je nach der von einer Steuereinheit betroffenen Spulenauswahl als Sensor- oder Referenzsignal gewertet wird. Die Auswerteschaltung weist einen in Spannungsverdopplerschaltung ausgeführten Gleichrichter auf, wobei sich die Auswertung auf die Amplituden beschränkt sich, so dass durch das Target hervorgerufene Frequenzänderungen nicht erfasst werden.
-
Die
DE3733944A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter, bei dem die Signalauswertung vermittels einer Zählschaltung erfolgt, die die Anzahl der Schwingungen zählt, deren Amplitude einen vorgegebenen Wert überschreitet. Auf diese Weise wird das Abklingverhalten des Schwingkreises gemessen. Als nachteilig ist hier u. a. die hohe Arbeitsfrequenz der Komparatorschaltung zu nennen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik weiter zu entwickeln und einen induktiven Näherungsschalter nebst Auswerteverfahren anzugeben, welcher temperaturstabiler ist und weniger Drifterscheinungen aufweist.
-
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Sachanspruchs 1 und des Verfahrensanspruchs 2 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, den Sensorschwingkreis und den Referenzschwingkreis abwechselnd mit derselben Schwingschaltung zu entdämpfen. Um das Anschwingen und einen stabilen Betrieb zu ermöglichen, müssen die Schwingkreise über jeweils eine größere Anzahl von Schwingungsperioden mit der Oszillatorschaltung verbunden werden. Das geschieht erfindungsgemäß mit Hilfe eines Frequenzteilers, der den Umschaltvorgang nach einer vorgegebenen Anzahl von Schwingungsperioden auslöst.
-
Auf diese Weise entsteht ein niederfrequentes Signal, dessen Amplitude die Differenz der Realteile der Impedanzen von bedämpfter Sensorspule und der Referenzspule abbildet.
-
Das bei Verstimmung des Sensorschwingkreises durch den Auslöser entstehende unsymmetrische Tastverhältnis ist ein Maß für die Differenz der Imaginärteile der Impedanzen von Sensorspule und Referenzspule.
-
Das durch die Frequenzteilung entstehende nieder- bis mittelfrequente Signal lässt sich relativ einfach von einem handelsüblichen Mikrocontroller digitalisieren und weiterverarbeiten.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die Zeitdehnung variabel zu gestalten, um Messgenauigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit (Schaltfrequenz) sowohl werksseitig als auch im Feldeinsatz zu optimieren.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines induktiven Näherungsschalters gemäß dem Stand der Technik,
-
2 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,
-
3 die Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Näherungsschalters,
-
4 die Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Näherungsschalters.
-
Die 2 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Näherungsschalters.
-
Die 3 zeigt die Schaltung eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit einem variablen Frequenzteiler.
-
Die Sendespule 1 ist Bestandteil eines Schwingkreises, der mit Hilfe der im Wesentlichen aus dem Komparator OV1 und dem Operationsverstärker OV2 bestehenden Schwingschaltung 3 entdämpft wird. Die Mitkopplung erfolgt über das mit a bezeichnete RC-Glied. Die Referenzspule 2 ist ebenfalls Bestandteil eines Schwingkreises, der im Wechsel von derselben Oszillatorschaltung 3 entdämpft wird. Die beiden Schwingkreise sind magnetisch entkoppelt und werden ohne Target auf die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude abgestimmt.
-
Der Multiplexer MUX1 (ADG749) dient als Umschalter 4 zwischen den beiden Schwingkreisen. Die Umschaltung erfolgt zyklisch nach einer Anzahl von 2^n Schwingungsperioden.
-
Bei einer Bedämpfung durch das Target T, wird vorzugsweise die Sensorspule 1 beeinflusst. Dadurch wird der Sensorspule 1 Energie entzogen, aber auch deren Induktivität verändert. Das beeinflusst sowohl die Amplitude als auch die Frequenz des Sensorschwingkreises.
-
Weil die magnetisch entkoppelte Referenzspule 2 davon nahezu unbeeinflusst bleibt, entsteht beim Umschalten nach jeweils 2^n Schwingungsperioden ein Signal, das von der Auswerteschaltung 5 ausgewertet wird. Zur Umschaltung nach jeweils 2^n Schwingungsperioden durch den als Frequenzteiler arbeitenden Binärzähler 6 wird dieser direkt mit dem vom Komparator OV1 erzeugten Rechtecksignal angesteuert. Der Teilungsfaktor 7, der typischerweise zwischen 2^4 und 2^8 liegt, aber auch deutlich höher sein kann, wird mit einem Analogmultiplexer (ADG749) von außen, d. h. von einer übergeordneten Schaltung, beispielsweise einem Mikrocontroller, einem Bediener oder auch werksseitig fest eingestellt.
-
Ohne Target bleibt das Signal beim Umschalten nahezu unverändert. Bei Beeinflussung der Sensorspule 1 durch das Target wird in Abhängigkeit von dessen Geometrie und den Materialeigenschaften sowohl die Amplitude als auch die Oszillatorfrequenz des Sensorschwingkreises verändert, so dass es beim Umschalten zwischen den beiden Schwingkreisen zu einer Amplitudenmodulation und wegen der Frequenzänderung auch zu einer Pulsweitenmodulation kommt. In der Auswerteschaltung 5 wird das am Ausgang des Verstärkers OV2 anstehende hochfrequente Oszillatorsignal zunächst mit dem Synchrongleichrichter MUX2 (ADG749) phasenempfindlich gleichgerichtet und mit einem nachfolgenden Tiefpass geglättet.
-
Das Signal wird mit dem Verstärker OV3 weiter verstärkt und kann als Uac* angezeigt oder von einer übergeordneten Schaltung weiterverarbeitet werden. Die Amplitude repräsentiert die Differenz der Amplituden von Sensorschwingkreis und Referenzschwingkreis bzw. die Differenz der Realteile der Impedanzen von Sensorspule und Referenzspule. Sie kann als Maß für die Spulengüte der vom Target beeinflussten Sensorspule dienen.
-
Bei einer Frequenzänderung des Sensorschwingkreises kommt es zusätzlich zu einem unsymmetrischen Tastverhältnis von Sensorfrequenz/Referenzfrequenz. Der Teilungsfaktor 7 bewirkt einen Zeitdehnung um den Faktor 2^n. So lässt sich die pulsweitenmodulierte Rechteckspannung Uac leichter auswerten. Die Verwendung eines Tiefpasses höhere Ordnung sorgt für eine kurze Zeitkonstante, so dass nach jeder Umschaltung ausgewertet werden kann.
-
Am Ausgang des als Frequenzteiler 6 arbeitenden Binärzählers (74HC4040) steht das bereits erwähnte um 2^n (= Teilungsfaktor 7) reduzierte Oszillatorfrequenz an. Bei Bedämpfung ist das Rechtecksignal im Regelfall unsymmetrisch. Das Tastverhältnis repräsentiert das Verhältnis der Oszillatorfrequenzen von Sensorschwingkreis und Referenzschwingkreis. Es ist ein Maß für die Differenz der Imaginärteile der Impedanzen von Sensorspule und Referenzspule. Da es als pulsweitenmoduliertes Rechtecksignal vorliegt, ist es absolut übersteuerungsfest.
-
Das am Ausgang des Frequenzteilers 6 anstehende pulsweitenmodulierte Signal wird von einer mit dem Verstärker OV4 bestückten Integratorschaltung aufsummiert, verstärkt und als Gleichspannungssignal Udc ausgegeben.
-
Mit Hilfe eines Abgleicheinganges lässt sich Udc mit einem in einer übergeordneten Einheit, z. B. einem Mikrocontroller gespeicherten Offset-Korrektursignal verknüpfen.
-
Das durch die Frequenzteilung vergleichsweise niederfrequente Signal kann von einem handelsüblichen Mikrocontroller bei jeder Umschaltung, aber auch aufintegriert oder in größeren Zeitabständen ausgewertet werden.
-
Die 4 zeigt die Schaltung eines weiteren Ausführungsbeispiels. Hier wurde die in der 3 mit a bezeichnete Entkopplungsschaltung zwischen dem Ausgang des Komparators OV1 und dem Eingang des Operationsverstärkers OV2 durch die mit b und c bezeichneten abgleichbaren RC-Glieder ersetzt. So können die Amplituden der beiden Schwingkreise getrennt eingestellt werden.
-
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung bestehen in einer durch die Frequenzteilung erleichterten Auswertung und einer hohen Übersteuerungsfestigkeit wegen des pulsweitenmodulierten Signals.
-
Sie zeichnet sich durch eine wegen des einstellbaren Teilungsverhältnisses variable Schaltfrequenz aus. Messgenauigkeit und Schaltfrequenz können je nach Anwendung gegeneinander abgewogen werden.
-
Durch die „zweidimensionale Auswertung”, d. h. die getrennte Bewertung von Realteil und Imaginärteil der Messgröße ist sowohl eine Materialunterscheidung anhand von im Mikrocontroller gespeicherter Daten, als auch die Angleichung der Schaltabstände für verschiedene Materialien möglich. Es können an sich bekannte oder eingelernte Korrekturfaktoren in einem übergeordneten Mikrocontroller (μC) hinterlegt werden.
-
Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Betreiben des beschriebenen induktiven Näherungsschalters, wobei der als Frequenzteiler (6) arbeitende Zähler zur Zeitdehnung verwendet wird, indem er nach Erreichen einer ganzzahligen Periodenzahl zwischen den beiden Spulen (1, 2) umschaltet. Der Zeitdehnungsfaktor wird hierbei durch sein Teilungsverhältnis (7) bestimmt.
-
Ausgewertet wird die Amplitude des durch die Umschaltung zwischen Sensorschwingkreis und Referenzschwingkreis entstehenden Rechtecksignals. Darüber hinaus werden auch das Tastverhältnis, bzw. der durch Integration des Tastverhältnisses entstehende Mittelwert betrachtet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensorspule
- 2
- Referenzspule
- 3
- Oszillatorschaltung
- 4
- Umschalter (Analogmultiplexer)
- 5
- Auswerteschaltung
- 6
- Frequenzteiler, Zähler, Binärzähler
- 7
- Teilungsverhältnis
- T
- Target
