DE102011110780B4

DE102011110780B4 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102011110780B4
Application number: DE102011110780.4A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Westrup; Reinhard Teichmann; Markus Tahedl
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2011-06-14
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2031-08-23
Also published as: DE102011110780A1; DE102011118922B4; DE102011118922A1

Abstract

Induktiver Näherungsschalter mit mindestens drei Sensorspulen (1, 2 und 3), einer Wechselstromquelle (4) und einer Auswerteeinheit (5), wobei die Sensorspulen (1, 2 und 3) sowohl an die Wechselstromquelle (4) als an die Auswerteeinheit (5) angeschlossen sind, wobei die Sensorspulen (1, 2 und 3) so angeordnet und bestromt sind, dass ein um die Sensorachse rotierendes Magnetfeld entsteht, wobei zwischen jeder Sensorspule (1, 2 und 3) und der Wechselstromquelle (4) ein jeweils als Schließer ausgeführter Schalter (12, 13 und 14) vorgesehen ist und die einzelnen Schalter (12, 13 und 14) zeitversetzt durchschalten und wieder öffnen, und wobei die Auswerteeinheit (5) die Spulenspannung an allen drei Sensorspulen (1, 2 und 3) misst und den Realteil der jeweiligen Spulenspannung auswertet, wobei die Änderung der komplexen Koppelimpedanz mit eingeht.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit mehreren Sensorspulen, einer Wechselstromquelle und einer Auswerteeinheit, wobei die Sensorspulen sowohl - direkt oder indirekt - an die Wechselstromquelle als auch - direkt oder indirekt - an die Auswerteeinheit angeschlossen sind.
Induktive Näherungsschalter sind nunmehr seit etwa fünfzig Jahren in einer ungewöhnlich großen Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Im wesentlichen können Sie nach drei Wirkprinzipien unterteilt werden, nämlich

a) dem Güteauswertungsverfahren, Auswertung der Spulenimpedanz der Sensorspulen oder, wenn nur eine Sensorspule vorhanden ist, der Spulenimpedanz dieser Sensorspule,
b) dem Transformatorverfahren, transformatorische Auswertung einer Koppelimpedanz zwischen zwei Sensorspulen oder der Koppelimpedanzen zwischen mehreren Sensorspulen, und
c) dem Pulsverfahren.

In der Regel sind induktive Näherungsschalter so ausgelegt, dass sie nach nur einem der zuvor angesprochenen Wirkprinzipien arbeiten.
Eingangs ist ausgeführt, dass zu induktiven Näherungsschaltern, von denen die Erfindung ausgeht, mehrere Sensorspulen, also mindestens zwei Sensorspulen, eine Wechselstromquelle und eine Auswerteeinheit gehören.
Die DE 37 33 529 A1 beschreibt ein induktives Metallteilesuchgerät mit einer Anzahl von kreisförmig angeordneten Erregerspulen und einer Empfängerspule, wobei durch die phasenverschobene Speisung der Erregerspulen ein umlaufendes Magnetfeld mit konstanter Amplitude erzeugt wird.
Damit in Abwesenheit eines Metallteils kein Empfangssignal entsteht, werden zunächst zwei in axialer Richtung beabstandete Empfängerspulen hintereinander geschaltet, so dass sich deren Signale ohne ein die Symmetrie störendes Metallteil gegenseitig aufheben.
Um dieses Sensorkonzept zu verwirklichen, ist die Trennung von Sende- und Empfangsspulen zwingend erforderlich.
Die EP 0 366 221 A2 beschreibt einen induktiven Gitterdetektor, das heißt ein zur Suche von Armierungen in Beton geeignetes induktives Metallsuchgerät mit mindestens zwei auf einem rotierenden U-förmigen Kern angeordneten Spulen. Ausgewertet wird die Spulenimpedanz, wobei die Spulen so angeordnet werden, dass ein in deren Mitte befindlicher Bohrer nicht erkannt wird.
In einer Anordnung mit zwei Spulenpaaren wird eine induktive Kopplung zwischen den Paaren vermieden, indem der Gütefaktor der zu den nicht angeregten Spulen gehörenden Schwingkreise reduziert wird. Schließlich wird die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen empfohlen, damit die komplexen Koppelimpedanzen nicht in die Auswertung eingehen.
Die DE 10 2009 014 801 A1 betrifft eine Näherungsschaltervorrichtung mit einer Vielzahl von induktiven Elementen auf dem gleichen Substrat wie eine zugehörige Auswerteschaltung.
Die 10 und die zugehörige Beschreibung offenbaren einen Drehwinkelsensor mit ringförmig um einen unsymmetrischen Metallkörper angeordneten Näherungsschaltern, wobei die einzelnen Näherungsschalter abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden. Ein sequentieller Betrieb reihum wird zur Vermeidung möglichen Übersprechens zwischen benachbarten Näherungsschaltern vermieden. Es ist stets von einer Empfangsspule die Rede.
Bei den bekannten induktiven Näherungsschaltern sind die Sensorspulen ganz unterschiedlich realisiert. Das gilt sowohl für die geometrisch-räumliche Realisierung als auch für die elektromagnetische Realisierung, wobei die geometrisch-räumliche Realisierung natürlich die elektromagnetische Realisierung bestimmt, jedenfalls aber beeinflussen kann. Für die elektromagnetische Realisierung ist vor allem wichtig, ob die Sensorspulen ohne magnetisch gut leitendes Material ausgeführt sind oder ob zu den Sensorspulen magnetisch gut leitendes Material gehört. Sensorspulen, die kein magnetisch gut leitendes Material aufweisen, werden üblicherweise auch als Luftspulen bezeichnet. Sensorspulen mit magnetisch gut leitendem Material sind in Regel solche, die ferritisches Material aufweisen, stabförmig oder in der Regel schalenförmig.
Wenn eingangs gesagt ist, dass zu den induktiven Näherungsschaltern eine Wechselstromquelle gehört, dann kann man statt von einer Wechselstromquelle auch von einer Wechselspannungsquelle sprechen. Der Ausdruck Wechselstromquelle sei verwendet, wenn es wesentlich auf den zur Verfügung gestellten Wechselstrom ankommt, der Ausdruck Wechselspannungsquelle, wenn es wesentlich auf die zur Verfügung gestellte Wechselspannung ankommt. Dabei wird nicht verkannt, dass - in der Regel - ein Wechselstrom seine Ursache in einer Wechselspannung hat. Häufig wird der Ausdruck Wechselspannungsquelle verwendet, wenn es eigentlich auf zur Verfügung gestellten Wechselstrom ankommt. Auch spricht man nicht selten von einer Wechselstromquelle, wenn es eigentlich auf die zur Verfügung gestellte Wechselspannung ankommt.
Induktive Näherungsschalter, um die es vorliegend geht, können theoretisch „energieautark“ sein, also eine Batterie oder einen Akkumulator aufweisen. Üblicherweise wird induktiven Näherungsschaltern jedoch von außen eine Betriebsspannung, häufig eine Gleichspannung, zur Verfügung gestellt. Bei der innerhalb des induktiven Näherungsschalters erforderlichen Wechselstromquelle (oder Wechselspannungsquelle) handelt es sich üblicherweise um einen Oszillator, beispielsweise mit einem Transistor als Verstärkerelement und einem Schwingkreis, der eine Sensorspule oder mehrere Sensorspulen aufweist.
Induktive Näherungsschalter detektieren in der Regel die Anwesenheit oder die Abwesenheit eines Beeinflussungselements. Hat sich ein Beeinflussungselement, für den ein induktiver Näherungsschalter sensitiv ist, dem Näherungsschalter bis auf einen bestimmten Abstand, den Schaltabstand, genähert, so schaltet der Näherungsschalter; ein im Näherungsschalter in der Regel - als Teil der Auswerteeinheit - vorgesehener elektronischer Schalter, zum Beispiel ein Transistor oder Thyristor, wird leitend, wenn er zuvor nicht-leitend gewesen ist, bzw. nicht-leitend, wenn er zuvor leitend gewesen ist. Wird beim Schalten eines Näherungsschalters ein zunächst nicht-leitender elektronischer Schalter leitend, so liegt ein Schließer vor, wirkt ein zunächst leitender elektronischer Schalter nicht-leitend, so liegt ein Öffner vor.
Wie eingangs ausgeführt, gehört zu induktiven Näherungsschaltern auch eine Auswerteeinheit. Diese Auswerteeinheit kann ganz unterschiedlich ausgeführt sein. Jedenfalls muss sie erkennen, ob ein Beeinflussungselement, für das der Näherungsschalter sensitiv ist, sich dem Näherungsschalter hinreichend weit genähert hat, und dann, wenn sich das Beeinflussungselement dem Näherungsschalter hinreichend weit genähert hat, ausgangsseitig reagieren, zum Beispiel einen vorher nicht-leitend gewesenenen elektronischen Schalter leitend werden lassen bzw. einen zuvor leitend gewesenen elektronischen Schalter nicht-leitend werden lassen.
Für induktive Näherungsschalter, um die es vorliegend geht, sind vor allem zwei Kriterien wichtig. Das sind einerseits der maximale Schaltabstand (bei gegebener Größe des Näherungsschalters), andererseits die Empfindlichkeit in Bezug auf die seitliche Annäherung eines Beeinflussungselements, das heißt in Bezug auf die Rotationssymmetrie der Annäherungscharakteristik.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber den bekannten induktiven Näherungsschaltern verbesserten Näherungsschalter zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise soll auch die Positioniergenauigkeit bei seitlicher Annäherung des Beeinflussungselements, das heißt die Rotationssymmetrie des Näherungsschalters, verbessert werden.
Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Sensorspulen vorgesehen sind und die Sensorspulen so angeordnet und bestromt bzw. stromversorgt sind, dass ein rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht. Das kann im einzelnen unterschiedlich realisiert sein.
Induktive Näherungsschalter gibt es in verschiedenen geometrischen Formen. So sind prismatische, insbesondere würfelförmig ausgeführte induktive Näherungsschalter bekannt. Die weitaus größte Anzahl aller induktiver Näherungsschalter ist jedoch zylinderförmig ausgeführt, wobei eine Stirnfläche des zylinderförmigen Näherungsschalters die Beeinflussungsfläche ist. Nahe der Beeinflussungsfläche sind bei den bekannten induktiven Näherungsschaltern die Sensorspulen angeordnet; das gilt auch für den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter.
Aus der Vorgabe, die Sensorspulen so anzuordnen, dass ein rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht, folgt, dass die Sensorpulen mit ihren Spulenachsen kreisförmig, jeweils um 120 ° räumlich versetzt, angeordnet sind. Selbstverständlich können auch mehr als drei vorteilhafterweise gleichmäßig über 360° verteilte Sensorspulen verwendet werden.
Weiter oben ist bereits darauf hingewiesen worden, dass bei induktiven Näherungsschaltern die Sensorspulen unterschiedlich ausgeführt sein können. Das gilt auch für den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter. Auch bei dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter können die Sensorspulen als Luftspulen ausgeführt und vorzugsweise auf einem Keramikträger angeordnet sein. Bevorzugt sind jedoch Ausführungsformen, bei denen den Sensorspulen magnetisch gut leitfähiges Material zugeordnet ist. Eine solche Ausführungsform kann dadurch gekennzeichnet sein, dass jede Sensorspule mit einem eigenen schalenförmigen Ferritkern versehen ist. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass allen Sensorspulen eine ihnen gemeinsame, vorzugsweise kreisförmige Ferritscheibe zugeordnet ist.
Bei der zuletzt beschriebenen bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters befinden sich Nordpol und Südpol auf der aktiven Sensorfläche, also auf der Beeinflussungsfläche. Gegenüber einem induktiven Näherungsschalter, bei dem jede Sensorspule mit einem eigenen schalenförmigen Ferritkern versehen ist, wird bei vorgegebenen äußeren Abmessungen eine größere Ansprechempfindlichkeit erreicht, also ein größerer Schaltabstand.
Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter ist nicht nur durch die kreisförmig um die Sensorachse angeordneten Sensorspulen charakterisiert, sondern auch durch deren Bestromung bzw. Stromversorgung und die Auswertung des rotierenden Magnetfeldes bzw. des magnetischen Drehfeldes. Diese Vorgabe kann auf unterschiedliche Weise realisiert sein.
Bei einer ersten Ausführungsform kann die für das Entstehen eines rotierenden Magnetfeldes, also eines magnetischen Drehfeldes auch entscheidende Bestromung bzw. Stromversorgung der Sensorspulen dadurch realisiert sein, dass die Wechselstromquelle mindestens dreiphasig mit gegeneinander um 120 ° versetzten Phasen ausgeführt ist, also eine Drehstromquelle ist. Bei dieser Ausführungsform empfiehlt sich eine Realisierung dahingehend, dass die Sensorspulen eine Sternschaltung bilden. Bekanntlich ist bei einer Sternschaltung die Mittelpunktspannung bei einem symmetrischen System Null. Folglich kann die Mittelpunktspannung, wenn sie von Null abweicht, zu einem Abgleich des Systems verwendet werden, um eventuelle Unsymmetrien auszugleichen. Auch kann eine von Null abweichende Mittelpunktspannung zum Erkennen einer seitlichen Annäherung eines Beeinflussungselements verwendet werden.
Die Vorgabe, die Sensorspulen mit einer solchen Bestromung bzw. Stromversorgung zu versehen, dass ein rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht, kann auch dann realisiert werden, wenn zunächst eine Wechselspannungsquelle vorgesehen ist, die einphasig ausgeführt ist. Eine dabei konkrete Realisierungsmöglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsquelle ein Phasenschieber nachgeschaltet ist und am Phasenschieber ausgangsseitig drei um jeweils120 ° phasenverschobene Wechselspannungen anstehen. Eine andere Realisierungsmöglichkeit in Verbindung mit einer einphasigen Wechselstromquelle ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeder Sensorspule und der Wechselstromquelle jeweils ein als Schließer ausgeführter - elektrischer oder elektronischer - Schalter vorgesehen ist und die einzelnen Schalter um jeweils 120 ° zeitversetzt durchschalten und wieder öffnen.
Eingangs ist darauf hingewiesen worden, dass zu den induktiven Näherungsschaltern, von denen die Erfindung ausgeht, folglich auch zum erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter, eine Wechselstromquelle bzw. eine Wechselspannungsquelle gehört. Da es auf die Bestromung bzw. Stromversorgung der Sensorspulen ankommt, wird funktional eine Wechselstromquelle benötigt. Ist jedoch funktional eine Wechselspannungsquelle vorhanden, die in erster Näherung eine konstante Wechselspannung, nicht jedoch einen konstanten Wechselstrom zur Verfügung stellt, empfiehlt es sich, zwischen jeder Sensorspule und der Wechselspannungsquelle, unmittelbar vor jeder Sensorspule, einen Konstantstromgenerator vorzusehen, der eine konstante Bestromung bzw. Stromversorgung der Sensorspulen sicherstellt.
In Bezug auf die Auswerteeinheit, die sowohl zu den bekannten induktiven Näherungsschaltern als auch zum erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter gehört, ist bisher nur gesagt worden, dass diese Auswerteeinheit eine signifikante Beeinflussung des Näherungsschalters erkennen muss und bei einer signifikanten Beeinflussung des Näherungsschalters ein Ausgangssignal zur Verfügung stellen muss, beispielsweise einen - elektrischen oder elektronischen - Schalter leitend steuern oder nicht-leitend steuern muss. Vorzugsweise gilt nun für den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter, dass die Auswerteeinheit die Spulenspannung an allen drei Sensorspulen misst und den Realteil der jeweiligen Spulenspannung auswertet - was weiter unten noch näher erläutert wird. Alternativ können die Impedanzen der Sensorspulen gemessen und sowohl der Realteil als auch der Imaginärteil ausgewertet werden. Darüber hinaus kann auch die Sternpunktspannung ausgewertet werden.
Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche 2 bis 6 und auf die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

1 schematisch und perspektivisch, das beeinflussungsseitige Ende eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,
2 schematisch, einen Schnitt durch die Sensorspulen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,
3 schematisch, das Funktionsbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters,
4 ein zu dem Funktionsbild nach 3 gehörendes Strom-Spannungs-Zeigerdiagramm,
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines vom Ausführungsbeispiel nach 3 abweichenden Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters und
6 eine schematische Darstellung eines um die Sensorachse rotierenden magnetischen Drehfeldes zur Verdeutlichung der Lehre der Erfindung.

Zu dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter gehören zunächst drei Sensorspulen 1, 2 und 3, eine Wechselstromquelle 4 und eine Auswerteeinheit 5. Das ist in Bezug auf die Sensorspulen 1, 2 und 3 in den 1 und 2 sowie in Bezug auf die Sensorspulen 1, 2 und 3, die Wechselstromquelle 4 und die Auswerteeinheit 5 in 3 dargestellt. Die Sensorspulen 1, 2 und 3 sind so angeordnet und bestromt bzw. stromversorgt, dass ein rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht.
Der 1 kann entnommen werden, dass im dargestellten Ausführungsbeispiel eines zylindrischen induktiven Näherungsschalters die Sensorspulen 1, 2 und 3 mit ihren Spulenachsen 6, 7 und 8 rotationssymmetrisch, jeweils um 120° versetzt um die in der Figur nicht dargestellte Sensorachse, hier auch die Geräteachse des zylindrischen induktiven Näherungsschalters, angeordnet sind.
Grundsätzlich könnten die Sensorspulen des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters als Luftspulen ausgeführt und auf einem Keramikträger angeordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters könnte jede Sensorspule mit einem eigenen schalenförmigen Ferritkern versehen sein. Im Ausführungsbeispiel ist jedoch, wie 2 zeigt, allen Sensorspulen 1, 2 und 3 eine ihnen gemeinsame, kreisförmige Ferritscheibe 9 zugeordnet.
Für den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter ist zunächst wesentlich, dass mindestens drei Sensorspulen 1, 2 und 3 vorgesehen sind und die Sensorspulen 1, 2 und 3 so angeordnet sind, dass ein um die Sensorachse rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht. Dafür, dass ein rotierendes Magnetfeld, also ein magnetisches Drehfeld entsteht, ist auch die Bestromung bzw. die Stromversorgung der Sensorspulen 1, 2 und 3 von Bedeutung.
Für die Bestromung bzw. Stromversorgung der Sensorspulen des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters könnte die Wechselstromquelle dreiphasig mit gegeneinander um 120 ° versetzten Phasen ausgeführt sein, also eine Drehstromquelle sein. In dem in der 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch zunächst eine einphasig ausgeführte Wechselspannungsquelle 10 vorgesehen und ist der Wechselspannungsquelle 10 ein Phasenschieber 11 nachgeschaltet; am Phasenschieber 11 stehen ausgangsseitig drei um jeweils 120 ° phasenverschobene Wechselspannungen an.
Eingangs ist schon darauf hingewiesen worden, dass funktionsnotwendig schlussendlich eine Wechselstromquelle 4 benötigt wird. Da es auf die Bestromung bzw. Stromversorgung der Sensorspulen 1, 2 und 3 ankommt, ist im Ausführungsbeispiel nach 3 zwar zunächst eine Wechselspannungsquelle 10 vorgesehen, zwischen jeder Sensorspule 1, 2 und 3 und der Wechselspannungsquelle 10, unmittelbar vor jeder Sensorspule 1, 2 und 3, jeweils ein Konstantstromgenerator 15, 16 und 17 vorgesehen. Die Konstantstromgeneratoren 15, 16 und 17 machen aus der Wechselspannungsquelle 10 für die Sensorspulen 1, 2 und 3 die erforderliche Wechselstromquelle 4.
Anders als im Ausführungsbeispiel nach 3 ist im Ausführungsbeispiel, das in 5 nur schematisch angedeutet ist, zwischen jeder Sensorspule 1, 2 und 3 der Wechselstromquelle 4 jeweils ein als Schließer ausgeführter - elektrischer oder elektronischer - Schalter 12, 13 und 14 vorgesehen, wobei die einzelnen Schalter 12, 13 und 14 um jeweils 120 ° zeitversetzt durchschalten und wieder öffnen.
Eingangs ist darauf hingewiesen worden, dass in der Regel induktive Näherungsschalter so ausgelegt sind, dass sie nur nach einem der eingangs dargestellten Wirkprinzipien arbeiten. Im Gegensatz dazu gilt für den erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter, dass er zeitgleich nach mindestens zwei Wirkprinzipien arbeitet, nämlich nach dem Güteauswertungsverfahren und nach dem Transformatorverfahren. Denkbar ist auch eine Realisierung, bei dem der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter auch noch nach dem Pulsverfahren arbeitet. Das magnetische Drehfeld kann nämlich nicht nur mittels monofrequenter sinusförmiger Wechselströme erzeugt werden, sondern auch mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen.
Bei dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter ist - wegen des rotierenden Magnetfeldes, also des magnetischen Drehfeldes - die Empfindlichkeit bei entsprechender Bestromung und Auswertung des Sensorsignals rotationssymmetrisch. Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter bietet darüber hinaus eine Abgleichmöglichkeit, um durch Fertigungstoleranzen oder die Einbaulage entstandene Unsymmetrien in der Annäherungscharakteristik zu korrigieren, so dass die Emfindlichkeit des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters in Bezug auf die Beeinflussungsrichtung selbst bei ungünstiger Einbaulage beispielsweise durch einen Einlernvorgang korrigiert, dass heißt die Rotationssymmetrie zur Sensorachse verbessert werden kann. Natürlich ist auch eine gezielte Deformation der Annäherungscharakteristik oder bei entsprechender Auswertung die Erkennung der Annäherungsrichtung möglich.
Die Auswerteeinheit 5 kann bei dem erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalter die Spulenspannung U₁, U₂ und U₃ an allen drei Sensorspulen 1, 2 und 3 messen. Die Spulenspannungen finden sich in einer Spannungsmatrix zeilenweise wieder. Die Spulenspannung einer Sensorspule setzt sich aus der Spannung über der komplexen Spulenimpedanz und zwei durch Spannungsmessung bei eingeprägtem Strom bzw. durch Strom- und Spannungsmessung erzeugte komplexen Koppelimpedanzen der benachbarten Sensorspulen zusammen.

Die nachfolgenden Impedanzen wurden bei unterschiedlichen Beeinflussungsabständen gemessen. Dargestellt ist die Differenz der komplexen Spulenimpedanzen der drei Sensorspulen 1, 2 und 3 in Bezug auf die Messwerte bei 45 mm Abstand, der etwa dem unbeeinflussten Zustand entspricht.

ZA [Ohm]	real	imaginär	real	imaginär	real	imaginär
ZA 8mm	Spule 1	Spule 1	Spule 2	Spule 2	Spule 3	Spule 3
Spule 1	0,56	-1,41	0,35	-1,26	0,34	-1,34
Spule 2	0,36	-1,39	0,57	-1,42	0,36	-1,39
Spule 3	0,34	-1,31	0,35	-1,37	0,64	-1,68
ZA 10mm
Spule 1	0,29	-0,83	0,22	-0,82	0,22	-0,89
Spule 2	0,23	-0,55	0,30	-0,84	0,23	-0,91
Spule 3	0,22	-0,85	0,23	-0,90	0,35	-1,01
ZA 15mm
Spule 1	0,08	-0,27	0,07	-0,30	0,08	-0,34
Spule 2	0,08	-0,34	0,08	-0,26	0,08	-0,33
Spule 3	0,08	-0,30	0,08	-0,33	0,09	-0,33
ZA 20mm
Spule 1	0,02	-0,10	0,03	-0,12	0,03	-0,13
Spule 2	0,03	-0,14	0,03	-0,10	0,03	-0,13
Spule 3	0,03	-0,10	0,03	-0,13	0,03	-0,13
ZA 45mm
Spule 1	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Spule 2	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00
Spule 3	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00

Die Auswerteeinheit 5 wertet die jeweilige komplexe Spulenspannung aus. Die Spulenspannungen U₁ bis U₃ ändern sich bei axialer Annäherung des Beeinflussungselements, also bei axialer Bedämpfung mit gleicher Größe.
Überraschenderweise ändert sich die komplexe Spulenspannung U₁ bis U₃ mehr als es die reine Änderung des Realteils der komplexen Spulenimpedanz erwarten lässt. Die größere Änderung beruht darauf, dass die Änderung der komplexen Koppelimpedanz mit eingeht. Bei ferritischen Beeinflussungselementen ist die Änderung im Realteil am größten. Bei den übrigen Metallen überwiegt die Änderung im Imaginärteil.
Bei dem erfindungsgemäßen Prinzip werden neben der Änderung der reinen Spulenresistenz auch der Realteil der Koppelimpedanzen der Sensorspulen 1, 2 und 3, die ebenfalls durch das Beeinflussungselement beeinflusst werden, ausgewertet. Die komplexe Spulenspannung wird durch ein geeignetes Verfahren in einen Realteil und einen Imaginärteil zerlegt. Zu diesem Zweck wird die zu untersuchende Spannung U_out mit einer Spannung gleicher Frequenz und Phasenlage zur Bestimmung des Realteils (Wirkwiderstand) und mit einer um 90° verschobenen Spannung derselben Frequenz zur Bestimmung des Imaginärteils (Blindwiderstand) multipliziert und integriert. Näheres dazu findet man im Abschnitt 4.1.3 des Lehrbuchs "Elektrische Messtechnik" von E. Schrüfer, 2. Auflage, Hanser Verlag München, 1984. Danach werden die Anteile der einzelnen Spulenspannungen addiert und mit einem Schwellwert verglichen. Das Ergebnis wird als Schaltsignal verwendet.
Im Gegensatz zu den bekannten, meist mit einem schalenförmigen Ferritkern ausgestatteten induktiven Näherungsschaltern weist der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter in seiner bevorzugten Ausführungsform mindestens drei schalenförmige Ferritkerne auf, deren proximale Enden vorteilhaft über ein magnetisch leitfähiges Material verbunden sind. In besonders vorteilhafter Weise wird ein Multikern mit mindestens drei aus einer kreisförmigen Ferritscheibe herausragenden Ferritstiften verwendet. Die magnetischen Feldlinien laufen nicht, wie bei herkömmlichen induktiven Näherungsschaltern, von der Mitte des Ferritkerns nach außen, was unter anderem den bekannten „Einbausprung“, das heißt die Änderung des Schaltabstandes bei bündigem Einbau des Näherungsschalters in eine Metallplatte, hervorruft, sondern vorzugsweise zwischen den distalen Enden der Ferritstifte und auf der proximalen Seite über die gemeinsame Ferritscheibe 9.
Die Erfindung umfasst neben der beschriebenen Realisierung erfindungsgemäßer induktiver Näherungsschalter auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters, bei dem mit Hilfe eines räumlich und zeitlich veränderlichen Magnetfeldes Wirbelströme in einem Beeinflussungselement erzeugt werden. Die Auswertung kann dabei anhand der weiter oben beschriebenen Wirkprinzipien erfolgen.
Wie bereits weiter oben ausgeführt, werden die mindestens drei rotationssymmetrisch angeordneten Sensorspulen derart phasenverschoben angesteuert, dass ein um die Sensorachse rotierendes magnetisches Drehfeld erzeugt wird.
Anhand der 6 kann die Erfindung nachvollzogen werden. Die auf der Sensorachse angeordnete Kompassnadel symbolisiert dabei das rotierende magnetische Drehfeld. Bei einer um jeweils 120° phasenverschobenen Bestromung der drei erfindungsgemäß vorgesehenen Sensorspulen 1, 2 und 3 weist das um die Sensorachse rotierende magnetische Drehfeld jeweils zwei Nordpole und einen Südpol bzw. zwei Südpole und einen Nordpol auf. Zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs einer Sensorspule 1, 2 oder 3 ist das Magnetfeld zweipolig. Die Feldlinien verlaufen im wesentlichen in den von den Spulenachsen aufgespannten Ebenen.
Die Erfindung ist nicht auf drei Sensorspulen beschränkt. Wie der Fachmann leicht sieht, wird das Drehfeld mit steigender Polzahl gleichmäßiger. Die Phasenverschiebung zwischen den Sensospulen ist dabei der geometrischen Sensorspulenanordnung anzupassen.
Schließlich sei noch darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäße magnetische Drehfeld, wie in 6 angedeutet, auch ohne Ferritkerne erzeugt werden kann. Allerdings ist das mit einer erheblichen Verringerung des Schaltabstandes verbunden.

Claims

Induktiver Näherungsschalter mit mindestens drei Sensorspulen (1, 2 und 3), einer Wechselstromquelle (4) und einer Auswerteeinheit (5), wobei die Sensorspulen (1, 2 und 3) sowohl an die Wechselstromquelle (4) als an die Auswerteeinheit (5) angeschlossen sind, wobei die Sensorspulen (1, 2 und 3) so angeordnet und bestromt sind, dass ein um die Sensorachse rotierendes Magnetfeld entsteht, wobei zwischen jeder Sensorspule (1, 2 und 3) und der Wechselstromquelle (4) ein jeweils als Schließer ausgeführter Schalter (12, 13 und 14) vorgesehen ist und die einzelnen Schalter (12, 13 und 14) zeitversetzt durchschalten und wieder öffnen, und wobei die Auswerteeinheit (5) die Spulenspannung an allen drei Sensorspulen (1, 2 und 3) misst und den Realteil der jeweiligen Spulenspannung auswertet, wobei die Änderung der komplexen Koppelimpedanz mit eingeht.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Imaginärteil der Spulenspannung an allen drei Sensorspulen (1, 2 und 3) ausgewertet wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulen (1, 2 und 3) mit ihren Spulenachsen (6, 7 und 8) räumlich versetzt rotationssymmetrisch zur Sensorachse angeordnet sind.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorspulen (1, 2 und 3) als Luftspulen ausgeführt sind und vorzugsweise auf einem Keramikträger angeordnet sind.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sensorspule mit einem eigenen schalenförmigen Ferritkern versehen ist.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass allen Sensorspulen (1, 2 und 3) eine ihnen gemeinsame, vorzugsweise kreisförmige Ferritscheibe zugeordnet ist.