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Induktive Näherungsschalter werden in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie dienen dazu metallische Targets in einem Überwachungsbereich berührungslos zu detektieren und die Detektion als Schaltsignal z. B. einer Steuerung zu melden. Wesentliche Kriterien bei der Auswahl von induktiven Näherungsschaltern sind z. B. der Schaltabstand, die Schaltfrequenz und die Schaltgenauigkeit sowie die Temperaturempfindlichkeit.
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Vielfach arbeiten diese nach dem Prinzip des bedämpften LC-Oszillators, bei dem das zu detektierende Objekt (das Target), die Güte des Oszillators beeinflusst. In einer Auswerteeinheit wird die Güteänderung ausgewertet und gegebenenfalls ein Schaltsignal ausgegeben.
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Eine Alternative zum Oszillatorprinzip ist das Transformator-Prinzip, bei dem der Einfuß eines Targets auf den Koppelfaktor zwischen einem Messspulenpaar, bestehend aus einer Sendespule und einer Empfangsspule ausgewertet wird. Dabei wird mit der Sendespule ein veränderliches Magnetfeld erzeugt und die sekundärseitig induzierte Spannung in der Empfangsspule gemessen und nach einer entsprechenden Verstärkung ausgewertet. Wenn ein Target detektiert wird, kann ein Schaltsignal ausgegeben werden.
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Eine weitere Möglichkeit ein Target zu detektieren bietet das Pulsverfahren. Hierbei wird kurzzeitig ein Magnetfeld erzeugt und der Antwortimpuls des Targets ausgewertet.
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Die Anmelderin stellt seit vielen Jahren derartige Näherungsschalter her und vertreibt diese weltweit.
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Aus der
DE10350733 ist ein induktiver Näherungsschalter bekannt, bei dem zwei Sendespulen und zwei Empfangspulen vorgesehen sind. Jeweils eine Sendespule und eine Empfangsspule bilden ein Spulenpaar. Ein Spulenpaar ist so angeordnet, dass es vom Wirbelstromfeld des Targets nahezu unbeeinflussbar angeordnet ist. Dies wird durch z. B. durch eine orthogonale Anordnung der beiden Spulenpaare erreicht. Alternativ kann eine Abschirmung zwischen den beiden Spulenpaaren vorgesehen sein. Dieser Näherungsschalter ist sehr aufwendig aufgebaut. Ein Spulenpaar dient nur zu Kompensationszwecken. Außerdem wird für die Spulenanordnung hintereinander viel Platz benötigt.
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Aufgabe der Erfindung ist eis einen induktiven Näherungsschalter anzugeben, der einfach aufgebaut ist, der wenig Platz benötigt und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass die Empfangsspule flächig ausgebildet ist und so angeordnet ist, dass sie das Feld der Sendespule gar nicht bzw. nur minimal „sieht”. Die Spulenfläche erstreckt sich dabei parallel zur Zylinderoberfläche der Sendespule. In Richtung der Spulenachse wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt.
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In vorteilhafter Weise liegt die Empfangsspule an der Innenseite der Sendespule an. Im Spuleninnenraum verläuft das Magnetfeld im Wesentlichen parallel zur Spulenachse, so dass die flächige Empfangsspule keinen magnetischen Fluss von der Sendespule empfängt. Betrachtet man die Sache genauer und berücksichtigt die Form des Magnetfelds in der Nähe der Spulendrähte, so sieht man dass sich die Beträge von einem einzelnen Drahtabschnitt gerade aufheben. Die einzelnen Feldlinien durchdringen die Spulenfläche immer zweimal, so dass auch hier kein Nettofluss erzeugt wird. Dadurch dass die Empfangsspule nur den Targeteinfluss erfasst, ist keine Kompensation notwendig und die Signalverstärkung kann entsprechend hoch gewählt werden. Temperatureinflüsse wirken sich auch weniger aus.
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Selbstverständlich können auch zwei erfindungsgemäß angeordnete Empfangsspulen vorgesehen werden, die vom Target unterschiedlich stark beeinflusst werden. Damit können Störeffekte die sich auf die beiden Empfangsspulen in gleicher Weise auswirken, kompensiert werden. Die Empfindlichkeit lässt sich dadurch weiter erhöhen.
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Die Spulenanordnung ist auch für das Pulsverfahren einsetzbar. Da die Empfangsspule bzw. die Empfangsspulen den Sendeimpuls nicht sehen, kann mit der Auswertung des Empfangspulses bereits viel früher begonnen werden. Für die Auswertung muss nicht mehr gewartet werden, bis der Sendepuls fast vollständig abgeklungen ist. Da die Empfangsspule den Sendeimpuls nicht sieht, kann die Auswertung gleich mit dem Sendepuls starten.
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Da die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sehr hoch ist, kann die Arbeitsfrequenz entsprechend heruntergesetzt werden. Damit ist die Spulenanordnung auch für Ganzmetallsensoren geeignet.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 Spulenanordnung mit einer Sendespule und einer Empfangsspule mit den magnetischen Feldlinien
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2 Flächige Spule
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3 Aufsicht auf die Sendespule mit der Empfangsspule
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4 Blockdiagramm eines induktiven Näherungsschalters
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1 zeigt die Feldlinien eines primären Magnetfelds 5 das von einer zylinderförmigen Sendespule S1 erzeugt wird. Um Wirbelströme in einem leitfähigen Target 6, das sich im Überwachungsbereich 20 des Näherungsschalters befindet, zu generieren muss die Magnetfeldstärke zeitlich variieren, entweder pulsartig oder oszillierend. Die Wirbelströme im Target 6 erzeugen ein sekundäres Magnetfeld 7. Aufgrund der Zylindersymmetrie haben die Magnetfelder jeweils nur eine axiale Bz und eine radiale Br Komponente. Erfindungsgemäß ist eine flächige Empfangsspule E2 vorgesehen, die so angeordnet, dass sie keinen magnetischen Fluss vom primären Magnetfeld 5 empfängt. Die Oberfläche der Empfängerspule E2 verläuft im dargestellten Fall parallel zur Zylinderoberfläche der Sendespule S1. Denkbar ist hierfür eine flexible Spule, die z. B. als flexible Leiterplatte ausgebildet sein, vorzusehen. Die flexible Leiterplatte passt sich der Innenseite der Sendespule S1 an. Die Oberfläche der Empfangsspule E2 wird dabei entsprechend gewölbt. Die z-Komponente des B-Feldes des Sendespule S1 verläuft dabei tangential zur gewölbten Spulenfläche und erzeugt deshalb keine Induktionsspannung. Gleiches gilt für die in der Nähe der Spulendrähte vorhanden r-Komponente des Magnetfeldes, da die Feldlinien die Spulenfläche hin und zurück durchdringen und deshalb auch keinen Nettofluss bzw. keine Induktionsspannung erzeugen.
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In 3 ist eine Aufsicht auf die Sendespule S1 mit der Empfangsspule E2 schematisch dargestellt. Im Prinzip kann die Empfangsspule E2 auch einen größeren Winkelbereich als 180° überdecken
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In 4 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters 10 dargestellt. Sowohl die Sendespule S1 wie auch die Empfangsspule sind mit einer Elektronikeinheit EE verbunden, die einen Schaltausgang SA ansteuert. Über den Schaltausgang SA wird ein Schaltsignal z. B. an eine Steuerung (z. B. SPS) weitergeleitet. Der Näherungsschalter 10, der als 3-Leiter-Gerät ausgebildet ist, besitzt ein M12 Gewinde. Die Elektronikeinheit EE kann z. B. einen Mikrocontroller umfassen, in dem eine digitale Signalverarbeitung stattfindet. Für die Signalauswertung können die bekannten Signalauswerteverfahren für induktive Näherungsschalter eingesetzt werden, deshalb wird auf diese nicht näher eingegangen. Entsprechend der eingestellten Schaltschwelle löst der Näherungsschalter 10 aus.
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Nachfolgend ist die Funktionsweise der Erfindung näher erläutert. Nähert sich das leitfähige Target 6 dem Überwachungsbereich 20 so werden aufgrund des primären Magnetfeldes 5 Wirbelströme im Target 6 generiert, die mit geringer werdendem Anstand stark zunehmen. Die Wirbelströme im Target 6 erzeugen ein sekundäres Magnetfeld 7.
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Die Empfangsspule E2 sieht aufgrund ihrer räumlichen Anordnung das primäre Magnetfeld 5 nicht bzw. nur minimal. Da das sekundäre Magnetfeld 7 aber am Ort der Empfangseule E2 eine merkliche r-Komponente aufweist, wird durch diese eine Induktionsspannung in der Empfangsspule E2 erzeugt. Diese Induktionsspannung wird im Verstärker V verstärkt und anschließend in der Elektronikeinheit EE ausgewertet. Diese Induktionsspannung wird nur vom Target 6 verursacht und ist unbeeinflusst vom primären Magnetfeld 5. Deshalb kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers V auch entsprechend hoch gewählt werden. Eine Kompensation des Primärmagnetfeldeinflusses durch Differenzschaltung ist nicht notwendig.
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Selbstverständlich können auch zwei erfindungsgemäß angeordnete Empfangsspulen E2 vorgesehen sein. Diese könnten z. B. hintereinander angeordnet sein. Dadurch werden sie vom Target 6 aufgrund des unterschiedlichen Abstandes unterschiedlich stark beeinflusst werden. Damit können Störeffekte die sich auf die beiden Empfangsspulen in gleicher Weise auswirken, kompensiert werden. Die Empfindlichkeit lässt sich dadurch weiter erhöhen.
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Die Spulenanordnung gemäß der Erfindung ist auch für das Pulsverfahren einsetzbar. Da die Empfangsspule E2 bzw. die Empfangsspulen E2, E2' das gepulste Magnetfeld (Sendeimpuls) das mit der Sendespule S1 erzeugt wird, nicht sehen, kann die Auswertung der in der Empfangsspule E2 induzierten Spannung (Empfangspulses) bereits viel früher begonnen werden. Für die Auswertung muss nicht mehr gewartet werden, bis der Sendepuls fast vollständig abgeklungen ist. Da die Empfangsspule E2 das gepulste Magnetfeld der Sendespule S1 nicht sieht, kann die Signalauswertung gleich mit dem Sendepuls gestartet werden.
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Da die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung sehr hoch ist, kann die Arbeitsfrequenz entsprechend heruntergesetzt werden. Damit ist die Spulenanordnung auch für Ganzmetallsensoren geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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