DE102011018430A1

DE102011018430A1 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102011018430A1
Application number: DE102011018430A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Spähn Hans-Peter
Original assignee: Wenglor Sensoric GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric GmbH
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: DE102011018430B4

Abstract

Induktiver Näherungsschalter (1) bestehend aus einem Schaltkreis (2), durch den eine Spule (3) impulsweise mit einer Spannungsquelle (9) elektrisch verbunden ist und in dem ein Kondensator (5) vorgesehen ist, durch den eine Induktions-Spannung erfasst ist, und aus einer Auswerteeinrichtung (10), durch die ein Schaltsignal bei Überschreiten einer Schwellwertspannung des Kondensators (5) erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinrichtung (10) die Spannungsversorgung der Spule (3) in Abhängigkeit von zeitlich gemessenen Induktions-Spannungen (11) des Kondensators (5) um dt verschoben ist und dass die Auswerteeinrichtung (10) diese Spannung (11) unmittelbar vor der Zuschaltung der Spule (3) an die Spannungsquelle (9) mit Hilfe der an dem Kondensator (5) gemessenen Spannung (11) erfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Näherungsschalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie auf ein Steuerverfahren für den Betrieb von mindestens zwei induktiven Näherungsschaltern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 5.
Aus der EP 0 492 029 B1 ist ein solcher Näherungsschalter, dessen Aufbau und Funktionsweise zu entnehmen. Diese Näherungsschalter bestehen üblicherweise aus mindestens einer Spule, durch die impulsweise ein Magnetfeld induziert ist, das eine räumliche Ausdehnung aufweist. Die Spulen werden demnach mittels eines Schalters impulsweise mit einer bestimmten Phasenfrequenz an eine Stromquelle angeschlossen bzw. von dieser getrennt. Aufgrund des durch die Spule entstehenden Magnetfeldes kann die Annäherung eines metallischen Objektes erfasst werden, denn das von der Spule ausgesandte Magnetfeld induziert in dem elektrisch leitenden Objekt einen Wirbelstrom.
Sobald die Spule von der Stromquelle getrennt ist, fällt das Magnetfeld der Spule zusammen. Gleichzeitig wird zu einem bestimmten vorgegebenen Zeitpunkt ein zweiter Schalter in einem Schaltkreis des Näherungsschalters geschlossen, durch den ein Kondensator angeschlossen ist. Die von dem Objekt ausgesandten Wirbelströme erzeugen Induktions-Spannungen, die durch den Kondensator erfasst sind. Erreicht die vom Kondensator gemessene Induktions-Spannung einen bestimmten Schwellwert, wird ein Schaltsignal durch eine mit dem Kondensator elektrisch verbundene Auswerteeinrichtung generiert.
Solche induktiven Näherungsschalter haben sich in der Praxis bewährt, denn zum Einen können metallische Objekte aus einem relativ groß bemessenen Schaltabstand detektiert und zum Anderen können auch metallische Gegenstände, die beispielsweise aus den Werkstoffen Aluminium oder Kupfer gefertigt sind von solchen Näherungsschaltern erfasst werden.
Jedoch weisen die bekannt gewordenen Näherungsschalter einen nachteiligen technischen Effekt auf, denn wenn zwei oder mehrere dieser Näherungsschalter in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander oder nebeneinander angeordnet werden, entstehen im jeweils benachbarten Näherungsschalter induktive Störsignale, durch die die Betriebsweise der derart nahe beieinander angeordnete Schalter gestört ist. Solche elektrischen Interferenzen treten auf, wenn beispielsweise der Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Näherungsschaltern das Fünffache des Gerätedurchmessers oder bei gegenüberliegend angeordneten Näherungsschaltern das Fünffache des Nenn-Schaltabstandes erreicht ist.
Es besteht daher seit langem ein erheblicher Bedarf daran, die Näherungsschalter in einem räumlich eng bemessenen Abstand nebeneinander bzw. gegenüberliegen zueinander anordnen zu können, ohne dass die von dem benachbarten Näherungsschalter ausgestrahlten Magnetfelder Interferenzen in dem jeweils anderen Näherungsschalter hervorrufen.
Es ist folglich Aufgabe der Erfindung, den eingangs genannten Näherungsschalter in einem räumlich engen Abstand zu benachbarten Näherungsschaltern störungsfrei betreiben zu können.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 und zur Durchführung des Steuerverfahrens gemäß den Merkmalen des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 5 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass durch die Auswerteeinrichtung der schneller getaktete Näherungsschalter um einen zeitlichen Betrag dt aus der üblicherweise vorherrschenden Taktfrequenz nach hinten verschoben ist, weicht der schneller laufende Näherungsschalter der Taktfrequenz des langsamer laufenden Näherungsschalters aus, so dass hierdurch Störsignale bzw. Interferenzen bei der Messung der Annäherung eines metallischen Objektes vermieden sind, denn durch die Phasenverschiebung haben die Induktions-Spannungen des schneller laufenden benachbarten Näherungsschalters auf den langsamer laufenden Näherungsschalter keinen Einfluss und vice versa. Folglich können mehrere der bekannten induktiven Näherungsschalter in einem räumlich eng bemessenen Abstand zueinander, der kleiner als das Fünffache der Näherungsschalter-Gehäuseabmessung bzw. geringer als der Fünffache Schaltabstand, betrieben werden.
Es ist besonders vorteilhaft, mehrere solcher Näherungsschalter nahe beieinander zu betreiben, denn die Synchronisation dieser Gruppe von Näherungsschaltern erfolgt selbsttätig, denn die jeweilige Auswerteeinrichtung der Näherungsschalter erfasst nach einer bestimmten Taktfrequenz, welcher Näherungsschalter die schnellste bzw. die langsamste Taktfrequenz hat, so dass sich eine Reihenfolge der Näherungsschalter im Hinblick auf deren Taktfolge zeitlich versetzt einstellt.
In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel von zwei nebeneinander angeordneten Näherungschaltern dargestellt, das nachfolgend näher erläutert ist. Im Einzelnen zeigt:
1 zwei nebeneinander angeordnete Näherungsschalter mit einem Schaltkreis, in dem eine Spule und ein Kondensator sowie zwei Schalter zur impulsweisen elektrischen Verbindung bzw. Trennung der Spule und des Kondensators vorgesehen sind, und mit einer Auswerteeinrichtung, durch die die Schalter angesteuert und durch die ein Schaltsignal generierbar ist, in schematischer Ansicht,
2 die sich ergebenden Spannungsverläufe der beiden Näherungsschalter gemäß 1, ohne Fehlerkorrektur und
3 die sich ergebenden Spannungsverläufe der beiden Näherungsschalter gemäß 1, mit Fehlerkorrektur.
In 1 sind zwei induktive Näherungsschalter 1 gleicher Bauweise und Funktionsprinzip nebeneinander angeordnet, durch die jeweils der Schaltabstand zwischen einem metallischen Objekt 8 und dem Näherungsschalter 1 gemessen werden soll. Sobald das Objekt 8 einen vorgegebenen Schaltabstand aufweist, wird durch den Näherungsschalter 1 ein Schaltsignal generiert.
Bekanntermaßen beeinflussen sich die von dem jeweiligen Näherungsschalter 1 ausgestrahlten Magnetfelder 7 wechselseitig, so dass durch diese Störungen entstehen, durch die die Funktionsweise des jeweils anderen Näherungsschalters 1 beeinflusst ist, so dass dieser nicht mehr korrekt arbeitet. Wie nachfolgend näher erläutert, werden jedoch solche Stör-Spannungen oder Induktions-Spannungen 11 von benachbarten Näherungsschaltern 1 vermieden, so dass die Näherungsschalter 1 einen räumlichen Abstand zueinander einnehmen, der kleiner als das Fünffache des Gerätedurchmessers ist.
Die Näherungsschalter 1 können auch fluchtend gegenüberliegend angeordnet sein. Um in den Schaubildern nach den 2 und 3 die Zuordnung zu dem jeweiligen Näherungsschalter 1 zu erleichtern, sind diese in 1 mit der Bezeichnung G1 bzw. G2 gekennzeichnet.
Jeder der beiden Näherungsschalter 1 besteht aus einem Schaltkreis 2, durch den eine Spule 3 und ein Kondensator 5 über jeweils einen Schalter 4 bzw. 6 an einer Spannungsquelle anschließbar bzw. von dieser trennbar ist. Die Schalter 4 und 6 werden wechselweise geöffnet bzw. geschlossen; dies ist schematisch mit Hilfe von Pfeilen angedeutet.
Ist der Schalter 4 geschlossen, so fließt durch die Spule 3 ein Strom und es entsteht ein ansteigendes Magnetfeld 7, das eine räumliche Ausdehnung einnimmt. Dieses Magnetfeld 7 erzeugt in dem zu erkennenden Objekt 8 einen Wirbelstrom. An der Spule 3 liegt eine hohe Induktionsspannung U_s an, wenn der Schalter 4 geöffnet ist. Das in der Spule 3 gespeicherte Magnetfeld 7 baut sich folglich nach dem Öffnen des Schalters 4 schnell ab. Der Wirbelstrom in dem Objekt 8 fliest jedoch noch über eine längere Zeitspanne und erzeugt demzufolge in der Spule 3 eine messbare Induktionsspannung. Durch diese Spannung wird bei dem geschlossenen Schalter 6 der Kondensator 5 aufgeladen. Sobald an dem Kondensator 5 ein bestimmter Spannungswert anliegt, wird mit Hilfe einer elektrisch mit dem Kondensator 5 gekoppelten Auswerteeinrichtung 10 ein Schaltsignal generiert.
In 2 ist dargestellt, in welcher Weise sich die beiden baugleichen Näherungsschalter G1 bzw. G2 gegenseitig beeinflussen, denn die störende invertierte Induktions-Spannung 11 verläuft periodisch durch die Phase des jeweils anderen Näherungsschalters 1, wodurch ein Störsignal 11 entsteht. Da die Phase regelmäßig die jeweils andere Phase durchläuft, ist permanent ein störender Impuls vorhanden, wodurch das Messergebnis verfälscht ist und die Messung gestört ist. Es treten also periodische Störungen auf. Eine sichere Schaltabstandserkennung ist nicht möglich.
Durch die Auswerteeinrichtung 10 werden die Magnetimpulse der beiden Geräte G1 und G2 phasenstarr in einem Abstand zueinander ausgesendet, wodurch verhindert ist, dass diese Magnetimpulse sich gegenseitig stören. Üblicherweise steuern Oszillatoren die Magnetimpulse, die in baugleichen Näherungsschaltern 1 unterschiedlich schnelle Taktfrequenzen aufweisen. Durch die Auswerteeinrichtung 10 ist daher die Phasenlage des jeweils anderen Näherungsschalters 1 zu ermitteln und die eigene Taktfrequenz derart zu beeinflussen, dass der phasenstarre Zustand erreicht ist. Dies ist dadurch erreicht, dass die Auswerteeinrichtung 10 unmittelbar bevor der Schalter 4 erneut geschlossen ist, um das Magnetfeld 7 an der Spule 3 aufzubauen, eine Überprüfung des Kondensators 5 durchführt. Zu diesem Zweck wird der Schalter 6 kurzzeitig geschlossen, so dass an den Kondensator 6 eine messbare Induktions-Spannung 11 festgestellt werden kann, wenn der phasenstarre Zustand nicht vorliegt. Wenn nämlich das Magnetfeld 7 eines benachbarten Näherungsschalters 1 bzw. G2 die Kondensatorspannung erzeugt, dann erkennt die Auswerteeinrichtung 10, dass kein phasenstarrer Zustand gegeben ist. Um diesen zu erreichen wird die eigene Zuschaltung der Spule 3 um den zeitlichen Betrag dt verschoben, so dass dann bei der Schaltabstandsmessung des Näherungsschalters 1 bzw. G1 keine störenden Induktionsspannungen durch den benachbarten Näherungsschalter 1 bzw. G2 vorhanden sind.
Die Schalter 4 und 6 der beiden Näherungsschalter G1 und G2 sind in den 2 und 3 als S₁₁ für den Schalter 4 und als S₁₂ für den Schalter 6 des ersten Näherungsschalters 1 gekennzeichnet. Für den zweiten Näherungsschalter G2 sind die Schalter 4 und 6 mit der Kennung S₂₁ und S₂₂ versehen.
In 3 ist zudem die zeitliche Verschiebung der Spule 3 an die Spannungsquelle 9 und den Betrag dt gezeigt, wenn unmittelbar bevor der erste Schalter 4 von der Auswerteeinrichtung 10 geschlossen wird, an dem Kondensator 5 eine Induktions-Spannung 11 gemessen ist. Der Kondensator 5 ist demnach durch die Auswerteeinrichtung 10 erneut zugeschaltet und der zweite Schalter 6 ist folglich geschlossen.
Wenn daher eine Induktions-Spannung 11 vorhanden ist, die während der Spannungsversorgung der Spule 3 auf diese keinen störenden Effekt ausübt, dann ist der Kondensator 5 nicht abzufragen.
Die Zuschaltung des Kondensators 5 bewirkt somit, dass eine zweite Schaltung geschaffen ist.
Die Taktintervalle sowie die Spannungen sind den beiden Näherungsschaltern G1 und G2 in entsprechender Weise zugeordnet.
Werden mehrere dieser Näherungsschalter 1 in einem räumlich eng bemessenen Abstand zueinander betrieben, so finden die jeweiligen Auswerteeinrichtungen 10 die Taktfrequenzen der benachbarten Näherungsschalter 1 heraus und es entsteht eine Reihenfolge zwischen den einzelnen Näherungsschaltern 1. Der am langsamsten laufende Näherungsschalter 1/G2 wird unbeeinflusst seine Taktfrequenz zum Öffnen und Schließen des Schalters 4 beibehalten, wohingegen die schneller laufenden Näherungsschalter 1/G1 um den jeweiligen zeitlichen Betrag dt verschoben sind. Folglich stellen sich die Auswerteeinrichtungen 10 von mehreren Näherungsschaltern 1 selbsttätig ein und synchronisieren ihre Schaltfrequenz zum Öffnen des Schalters 4.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0492029 B1 [0002]

Claims

Induktiver Näherungsschalter (1) bestehend aus einem Schaltkreis (2), durch den eine Spule (3) impulsweise mit einer Spannungsquelle (9) elektrisch verbunden ist und in dem ein Kondensator (5) vorgesehen ist, durch den eine Induktions-Spannung erfasst ist, und aus einer Auswerteeinrichtung (10), durch die ein Schaltsignal bei Überschreiten einer Schwellwertspannung des Kondensators (5) erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Auswerteeinrichtung (10) die Spannungsversorgung der Spule (3) in Abhängigkeit von zeitlich gemessenen Induktions-Spannungen (11) des Kondensators (5) um dt verschoben ist und dass die Auswerteeinrichtung (10) diese Spannung (11) unmittelbar vor der Zuschaltung der Spule (3) an die Spannungsquelle (9) mit Hilfe der an dem Kondensator (5) gemessenen Spannung (11) erfasst.
Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schaltkreis (2) zur elektrischen Kopplung der Spule (3) ein erster Schalter (4) und zur elektrischen Zu- und Abschaltung des Kondensators (5) ein zweiter Schalter (6) integriert ist und dass die beiden Schalter (4, 6) elektrisch mit der Auswerteeinrichtung (10) verbunden und durch diese gesteuert sind.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der derart betriebenen Näherungsschalter (1) in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind, der vorzugsweise kleiner als das Fünffache des Gehäusedurchmessers des jeweiligen Näherungsschalters (1) bemessen ist.
Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Impulses für die Spule (3) des ersten Näherungsschalters (1) um den Betrag dt dazu führt, dass die Phase des Impulses des ersten Näherungsschalters (1) relativ zu dem Impuls des zweiten Näherungsschalters (1) einen Phasen-Sprung mit dem Betrag dt vollzieht, durch den die Impulse der beiden Spulen (3) des ersten und zweiten Näherungsschalters (1) in einem konstanten zeitlichen Abstand zueinander verlaufen.
Steuerverfahren für den Betrieb von mindestens zwei induktiven Näherungsschaltern (1), insbesondere nach einem der vorgenannten Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: – periodisches impulsweises Öffnen und Schließen eines ersten Schalters (4), um eine dem Näherungsschalter (1) zugeordnete Spule (3) an eine Spannungsquelle (9) zu verbinden bzw. von dieser zu entkoppeln, – Überwachen von fremden Induktions-Spannungssignalen (11), die unmittelbar zeitlich bevor die Spule (3) an die Spannungsquelle (9) angeschlossen ist, mit Hilfe eines Kondensators (5) und einer Auswerteeinrichtung (10), – Verschieben des Schaltzeitpunktes um den Betrag dt des ersten Schalters (4) durch die Auswerteeinrichtung (10), wenn zeitlich unmittelbar vor der Schließung des ersten Schalters (4) eine Induktions-Spannung (11) von einem benachbarten Näherungsschalter (1) an dem Kondensator (5) erfasst ist.
Steuerverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (5) an die Spule (3) mit Hilfe eines zweiten Schalters (6) elektrisch verbunden ist und dass der Schalter (6) durch die Auswerteeinrichtung (10) gesteuert ist.
Steuerverfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere der benachbart zueinander angeordneten Näherungsschaltern (1) die Abfrage, welcher Impuls mit einer schnelleren Phasenfrequenz erfolgt, selbsttätig durch die jeweilige Auswerteeinrichtung der Näherungsschalter (1) synchronisiert ist, solange bis der Näherungsschalter (1) mit der schnellsten Phasenfrequenz zeitlich vor dem zweitschnellsten Näherungsschalter (1) getaktet ist.