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Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
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Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie sind seit langem bekannt und werden u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Sie weisen mindestens eine Sensorspule auf und können sowohl mit Stromimpulsen als auch mit kontinuierlichen meist sinusförmigen Wechselstrom betrieben werden. Dabei ist die Spule Bestandteil eines Oszillators und bestimmt damit auch die Frequenz. Andernfalls wird sie pulsförmig oder auch sinusförmig bestromt. Ausgewertet werden die Änderung der Induktivität und/oder die Impedanz der Spule. Induktive Sensoren sollen gleichermaßen auf Schaltfahnen bzw. Targets mit hoher Leitfähigkeit und geringer Permeabilität, wie Aluminium und Buntmetalle, aber auch auf Targets mit geringerer Leitfähigkeit und hoher Permeabilität, wie Stahl oder Edelstahl, reagieren. Hierbei hat sich das transformatorische Prinzip, die Bewertung des magnetischen Koppelfaktors zwischen zwei Spulen als vorteilhaft erwiesen. Der Sensor kann so konstruiert werden, dass die unterschiedlichen Targets in der Nähe des gewünschten Schaltabstandes etwa den gleichen Messeffekt im Sensor hervorrufen. Allerdings ist die Vorbedämpfung des Sensors durch seine Umgebung, d. h. auch durch das eigene Gehäuse von großer Bedeutung. Wegen der fehlenden Wirbelstromverluste ergibt sich in einer elektrisch isolierenden Umgebung ein höherer Schaltabstand als beim Einbau in eine elektrisch leitfähige metallische Umgebung.
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In der
DE19636742C2 wird gezeigt, wie die durch im Gehäuserohr induzierten Wirbelströme bewirkte Vorbedämpfung durch einen zwischen Spulensystem und Gehäuse angeordneten Kupferring wesentlich verringert werden kann, weil die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer um Größenordnungen höher als die des üblicherweise verwendeten Gehäusematerials ist.
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Diese Maßnahme allein reicht jedoch nicht aus, weil sie eine Kurzschlusswicklung darstellt, die dem System Energie entzieht. Darüber hinaus ist sie nicht geeignet, den durch Änderung der Leitfähigkeit des Spulendrahtes bei Temperaturänderung hervorgerufenen Einfluss auf den Schaltabstand zu beseitigen.
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Die
DE19631438A1 zeigt einen Wirbelstromsensor mit einer Kompensationsspule zur Temperaturkompensation. Die Kompensationsspule ist thermisch mit der Meßspule gekoppelt, aber magnetisch entkoppelt. Da die Spulenpaare magnetisch entkoppelt sind, können sie die Einbaubedingungen nicht kompensieren.
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DE10039619A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einem Schwingkreis mit zwei elektromagnetisch verbundenen Wicklungen. Die beiden Wicklungen sind senkrecht oder zumindest schräg zueinander angeordnet. Durch die gegenseitige Beeinflussung der beiden Spulen wird ein Teil der Feldlinien zur Erhöhung des Schaltabstandes in Richtung Target umgelenkt. So wird offenbar auch der Einfluss der Einbaubedingungen verringert. Allerdings reicht auch diese Maßnahme nicht aus, um das gewünschte Maß an Unabhängigkeit von der Umgebung des Näherungsschalters zu erreichen.
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Die
DE10350733A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule und einer dazu in Reihe geschalteten Kompensationsspule, sowie zwei in Reihe geschaltete Empfangsspulen. Jeweils eine Sendespule und eine Empfangsspule sind koaxial dicht nebeneinander angeordnet. Das andere Spulenpaar ist um 90° versetzt angeordnet. Im unbeeinflussten Zustand sollen sich die Signale der beiden Spulenpaare kompensieren. Die Anordnung dient u. a. zur Temperaturkompensation. Da die Spulenpaare elektrisch gekoppelt sind, können sie die Einbaubedingungen nicht kompensieren.
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DE102006053222B4 zeigt einen induktiver Näherungsschalter mit einem parallel zur Spulenebenen angeordneten Schirm, der mit der Spulenanordnung des Näherungsschalters elektromagnetisch derart zusammenwirken soll, dass der Schaltabstand bzw. die Richtcharakteristik im Wesentlichen unbeeinflusst von seiner metallischen Umgebung bleibt. Der Schirm wirkt hierbei wie ein permanent vorhandener metallischer Auslöser. Um thermisch bedingte Lageänderungen des Schirms zu vermeiden, wird er auf derselben Leiterplatte angeordnet. Auch hier bewirkt der Schirm eine zusätzliche Vorbedämpfung.
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Die
DE 10 2007 010 467 A1 offenbart einen induktiven Näherungsschalter in einem Metallgehäuse mit mindestens einer, vorzugsweise zwei Sendespulen und zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulen, sowie einer Auswerteschaltung. Sie dient zur Auswertung eines entgegengesetzt zur Beeinflussungsseite, d.h. innen im Näherungsschalter angeordneten Vorbedämpfungselements, und zeigt eine konzentrisch zu einem Empfangsspulenpaar angeordnete Sendespule oder ein Sendespulenpaar, bzw. den umgekehrten Fall mit außen liegenden Empfangsspulen. Die Anordnung ist nicht geeignet, die von der Einbausituation oder vom Target kommenden Einflüsse getrennt auszuwerten und damit auch zu unterscheiden. Der seitlichen Beeinflussung wird durch ein gut leitendes Abschirmelement
15 aus Kupfer begegnet.
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Der Nachteil des Standes der Technik wird darin gesehen dass die bekannten Vorbedämpfungsmaßnahmen zwar geeignet sind, das Verhalten bei verschiedenen Targets und /oder Einbaubedingungen verbessern, aber alle auf eine Verringerung des Schaltabstandes hinauslaufen. Informationen zur tatsächlichen Einbausituation, die zur optimalen Parametrierung zwecks Erweiterung des Schaltabstandes interessant wären, liegen nicht vor.
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Daraus resultiert der Wunsch, Informationen über die Einbausituation zu gewinnen, ohne die Messung zu beeinflussen. Gesucht wird eine Anordnung zur Erfassung der Einbaubedingungen (und auch der Temperatur), die ohne zusätzliche Bedämpfung des Näherungsschalters auskommt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu finden, die eine Bewertung der Einbausituation ohne zusätzliche Vorbedämpfung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die Einbausituation durch einen separaten, vom eigentlichen Nährungsschalter unbeeinflussten Sensor zu beurteilen. Zu diesem Zweck wird ein zweites Spulenpaar mit einer Sendespule und einer Empfangsspule koaxial zum Sensorspulenpaar angeordnet und unabhängig vom ersten Spulenpaar betrieben. Die magnetische Entkopplung der beiden koaxial zueinander angeordneten Spulenpaare erfolgt mit Hilfe eines Schalenkerns. Dazu werden die beiden zusätzlichen Spulen außen auf dem Schalenkern angeordnet, während das Sensorspulenpaar in bekannter Weise in den Schalenkern eingelegt wird. So entstehen zwei unabhängige induktive Näherungsschalter. Das äußere Spulenpaar bewertet nur die Einbausituation. Erfindungsgemäß wird die Parametereinstellung, insbesondere die Hysterese des Näherungsschalters an die aktuelle Einbausituation angepasst. Eine nennenswerte zusätzliche Bedämpfung findet nicht statt. Die beiden Sendespulen können sowohl gepulst als auch mit hochfrequenten Wechselströmen betrieben werden. In einer Weiterbildung der Erfindung werden die beiden Sensoren zusätzlich durch das Zeitregime entkoppelt. Abschließend sei noch bemerkt, dass die Erfindung auch mit zwei Spulen realisierbar ist, die in diesem Fall sowohl als Sende- als auch als Empfangsspulen arbeiten.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt die erfindungswesentlichen Baugruppen in eine Übersichtsdarstellung.
- 2 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung.
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1 zeigt die Anordnung der für die Erfindung wesentlichen Baugruppen. Ein Schalenkern 1 trägt zwei Spulenpaare. Die außen angeordnete Sendespule 2 und die zugehörige Empfangsspule 4 dienen zur Beurteilung der Einbausituation. Das in bekannter Weise im Inneren des Schalenkerns 1 angeordnete Spulenpaar mit der Sendespule 3 und der zugehörigen Empfangsspule 5 bilden das Primärsystem des induktiven Näherungsschalters. Die zum Betrieb des Sensors erforderliche in der 2 detaillierter dargestellte elektronische Schaltung 7 mit einer Zeitsteuerung 11, den Stromquellen 12a/b, den Verstärkern 13a/b und den Abtastschaltungen 14a/b, sowie eine Auswerteschaltung 8, die in bekannter Weise einen Mikrocontroller µC zur Parametereinstellung und Signalverarbeitung aufweist, sowie zur Erzeugung eines binären Schaltsignals geeignet ist, sind auf einer Leiterplatte montiert und elektrisch mit den Spulenpaaren verbunden.
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Die Stromversorgung, die Anzeige- und Bedienelemente, sowie die elektrischen Anschlüsse entsprechen dem Stand der Technik und sind deshalb nicht dargestellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Verhalten gegenüber Buntmetallen durch ein Vorbedämpfungselement 6 aus Mu-Metall bzw. Permalloy deutlich verbessert werden.
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Falls das Gehäuse 10 aus elektrisch nicht leitendem Material besteht, kann ein vorzugsweise aus Edelstahl bestehender Deckel 9 eingefügt werden, um ähnliche Sensoreigenschalten wie in einem Ganzmetallgehäuse zu erreichen. Der erfindungsgemäße Sensor arbeitet bevorzugt, aber nicht notwendig im Pulsbetrieb.
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2 zeigt das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung. Die beiden Sendespulen 2 und 3 werden von den steuerbaren Stromquellen 12a/b versorgt. Die Empfangsspulen 3 und 5 sind an die Verstärker 13a/b angeschlossen, die wiederum mit den Abtastschaltungen 14a/b verbunden sind. Eine Zeitsteuerung 11 bestimmt den Ablauf. Zunächst wird das Sekundärsystem aktiv. Dazu werden die zur Sendespule 2 gehörende Stromquelle 12a und die Abtastschaltung 14a aktiviert. Der Messwert wird von der Steuereinheit 8 digitalisiert und gespeichert. Anhand dieses Messergebnisses wird im nächsten Schritt ein Parametersatz für die nun folgende Messung mit dem aus den Spulen 3 und 5 bestehenden Primärsystem ermittelt. Das kann durch im Speicher des µC abgelegte Algorithmen oder durch Interpolation anhand von ebenfalls dort abgelegten Tabellen geschehen. Eingestellt werden u. a. Stärke und Form des Sendepulses, sowie die Abtastzeiten für das Empfangssignal und die Hysterese.
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Danach wird das Primärsystem aktiv. Dazu werden die zur Sendespule 3 gehörige Stromquelle 12b und die Abtastschaltung 14b aktiviert. Auch dieser Messwert wird von der Steuereinheit 8 digitalisiert und gespeichert. Anhand dieses Messwertes wird entschieden, ob ein Target vorhanden ist und ggf. der binäre Schaltausgang S aktiviert. Der dazu erforderliche Algorithmus ist ebenfalls im µC hinterlegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann bei der Erstinbetriebnahme nach dem Einbau in eine veränderte Sensorumgebung ein Einlernvorgang erfolgen.
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Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Schalenkern 1, genau zwei Sendespulen 2, 3 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und genau zwei Empfangsspulen 4, 5 zur Messung des von den Sendespulen 2, 3 erzeugten magnetischen Wechselfeldes, sowie einer elektronischen Schaltung 7 zum Betrieb des Näherungsschalters und einer Auswerteeinheit 8 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals. Die erste Sendespule 2 und die erste Empfangsspule 4 sind außerhalb des Schalenkerns 1 angeordnet und zur Bewertung der Einbausituation des induktiven Näherungsschalters geeignet. Eine zweite Sendespule 3 und eine zweite Empfangsspule 5 sind innerhalb des Schalenkerns 1 angeordnet und zur Bewertung des Überwachungsbereichs des induktiven Näherungsschalters geeignet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Vorbedämpfungselement 6 zur Beeinflussung des Koppelfaktors zwischen der Sendespule 2 und der Empfangsspule 4 vorhanden, das aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität besteht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die elektronischen Schaltung 7 eine erste gepulste Stromquelle 12a zur Bestromung der Sendespulen 2 und eine zweite gepulste Stromquelle 12b zur Bestromung der Sendespule 3 auf. Hier sei angemerkt, dass die Baugruppen 12 bis 14 auch nur einmal vorhanden sein können und beispielsweise durch Analogschalter mit beiden Spulenpaaren verbunden sind.
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Die Erfindung beinhaltet auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters, wobei in einem ersten Schritt eine Bewertung der Einbausituation anhand des Koppelfaktors zwischen der ersten Sendespule 2 und der ersten Empfangsspule 4 erfolgt, in einem zweiten Schritt einen Bewertung des Überwachungsbereichs des induktiven Näherungsschalters anhand des Koppelfaktors der zweiten Sendespule 3 mit der zweiten Empfangsspule 5 erfolgt und in einem dritten Schritt ein binäres Schaltsignal unter Berücksichtigung der Ergebnisse der beiden vorhergehenden Schritte erzeugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Schalenkern
- 2.
- Erste Sendespule
- 3.
- Zweite Sendespule
- 4.
- Erste Empfangsspule
- 5.
- Zweite Empfangsspule
- 6
- Vorbedämpfungselement mit hoher Permeabilität
- 7.
- Elektronische Schaltung
- 8.
- Auswerteeinheit
- 9.
- Deckel aus Edelstahl
- 10.
- Zylindrisches Gehäuse
- 11.
- Zeitsteuerung
- 12.
- Steuerbare Stromquelle
- 13.
- Verstärker
- 14.
- Abtastschaltung
- S
- Binärer Schaltausgang
