DE102013202573B3

DE102013202573B3 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102013202573B3
Application number: DE201310202573
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Westrup
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2014-04-17
Anticipated expiration: 2033-02-19

Abstract

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines leitfähigen Objekts mit einer Sendespule (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes und einer Auswerteschaltung (2) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Sendespule (1) mit einer Oszillatorschaltung (3) zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (1) mit einer niederfrequent getakteten Gleichstromquelle (4) und mit einem Lock-in-Verstärker (6) verbunden ist, wobei der Strom der niederfrequent getakteten Gleichstromquelle (4) eine Spannung über dem Kupferwiderstand (5) der Sendespule (1) erzeugt, die Spannung mit dem Lock-in-Verstärker (6) gemessen und aus dem Strom und der Spannung der Kupferwiderstand (5) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungsschalter nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
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.
Die Schaltabstände werden für eine Umgebungstemperatur von 23°C angegeben und sollen im zulässigen Temperaturbereich um weniger als 10% variieren.
Da die Wechselwirkung zwischen Sendespule und Target bei wachsendem Anstand sehr schnell abnimmt, ist die Temperaturkompensation von großer Bedeutung.
Die DE 36 06 878 C2 zeigt eine Oszillatorschaltung mit einem in unmittelbarer Nähe der Spule angeordneten Temperatursensor. So kann neben dem Temperaturgang des Kupferwiderstands der Oszillatorspule auch der Temperaturgang der übrigen Schaltungskomponenten des Oszillators korrigiert werden. Als nachteilig bzw. problematisch werden der zusätzliche Temperatursensor und die Linearisierung seines Abgleichs über den gesamten Temperaturbereich angesehen.
Die EP 0 813 306 A1 zeigt einen temperarturstabilisierten Oszillator für einen induktiven Näherungsschalter. Hier geht der Kupferwiderstand der Sendespule über einen Regelkreis direkt in die Amplitudenstabilisierung der Oszillatorschaltung ein. Nachteilig ist hierbei, dass zwar die Amplitude des Schwingkreises, nicht aber der Schaltabstand temperaturkompensiert wird, d. h. der Temperaturgang der übrigen Komponenten bleibt unberücksichtigt.
Die EP 2 033 310 B1 zeigt einen temperaturstabilisierten LC-Parallelschwingkreis mit einer Spule mit einem temperaturabhängigen Widerstand RS und einer Stromquelle zum Generieren des Schwingstroms. Seriell zur Spule ist ein Messwiderstand RE geschaltet, der von einer Hilfsspannungsquelle mit Strom versorgt wird und mit einer Schaltung zur Messung der Spannung über dem Messwiderstand RE verbunden ist. Anhand der gemessenen Spannung über RE wird eine Hilfsspannung UH zur Eliminierung von Dämpfungsbeiträgen der Widerstände RS und RE erzeugt. Als nachteilig wird der zusätzlich notwendige Messwiderstand RS angesehen, dessen Eigenschaften Einfluss auf die Messung haben kann.
Die Schriften DE 10 2006 040 550 A1 , DE 10 2008 062 302 A1 , DE 37 43 673 A1 , EP 0 172 393 A1 und EP 0 171 013 A1 zeigen induktive Näherungsschalter mit einer Stromspiegelschaltung. Sie geben keine über den oben genannten Stand der Technik hinausgehende Anregungen zur Korrektur des Temperaturgangs oder zur Messung der Temperatur der Sendespule.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden, und einen temperaturkompensierten induktiven Näherungsschalter anzugeben, der ohne Messwiderstand auskommt und trotzdem die Korrektur des Temperaturgangs der gesamten Anordnung erlaubt.
Weiterhin soll ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Näherungsschalters angegeben werden, das die Korrektur des Temperaurgangs der gesamten Anordnung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung. Der nebengeordnete Patentanspruch 4 betrifft das erfindungsgemäße Verfahren.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, die an sich bekannte Messung des Kupferwiderstands der Oszillatorspule direkt zur Temperaturmessung zu nutzen und den Schaltabstand des Näherungsschalters anhand dieses Messwertes durch Korrektur der Schaltschwelle anhand einer im Gerät abgelegten Temperaturtabelle gegenüber Temperaturschwankungen zu stabilisieren.
So kann nicht nur der Einfluss des Kupferwiderstandes, sondern auch der des Schwingkreiskondensators Cp und weitere durch thermische Ausdehnung bedingte Verschiebungen innerhalb des Sensors oder andere Faktoren berücksichtigt werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt die erfindungswesentlichen Baugruppen.
Die Spule 1 wird von der Oszillatorschaltung 2 mit Energie versorgt. Es handelt sich hier um den bekannten Stromspiegeloszillator. Der Parallelschwingkreis aus L1 und Cs bestimmt die Frequenz. Am Abgleichwiderstand RA wird die Amplitude eingestellt und die Schwingung als Halbwelle abgenommen. Die Gleichrichtung ist deshalb nicht erforderlich. Das Signal wird vom Impedanzwandler und Tiefpass 2a verstärkt und geglättet. Das Gleichspannungssignal gelangt anschließend zum Mikrocontroller 2b, wo es digitalisiert und mit einer eingelernten oder vorgegebenen Schaltschwelle verglichen wird. In Verbindung mit der Stromversorgung 7 und dem Schaltausgang SA stellen diese Baugruppen bereits einen voll funktionsfähigen Näherungsschalter dar, der bei Annäherung eines leitfähigen Objekts 8 ein binäres Schaltsignal ausgeben kann.
Zur Messung des Kupferwiderstands 5 und damit der Temperatur der Sendespule 1 wird diese zusätzlich mit einem niederfrequenten Strom von wenigen μA und einer Frequenz von z. B. 5 kHz beaufschlagt. Der Generator 4 ist mit einem Widerstand R von mindestens 500 kOhm entkoppelt. Die Spannung über dem Kupferwiderstand 5, der natürlich kein separates Bauelement ist, wird mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers aus dem Rauschen herausgefiltert. Die Induktivität der Sendespule 1 spielt hierbei wegen der niedrigen Frequenz keine Rolle. Wie der Fachmann erkennt, fällt über einem Kupferwiderstand 5 von 0,1 Ohm und einem Strom < 10 μA eine Spannung von weniger als 1 μVolt ab. Der an sich bekannte Lock-in-Verstärker 6 weist einen Impedanzwandler 6a, einen Spannungsverstärker 6b, einen als Korrelator arbeitenden Multiplizierer 6c und eine Trennstufe 6d auf.
Das Gleichspannungssignal am Ausgang des Lock-in-Verstärkers 6 wird dem Mikrocontroller 2b zugeführt. Dort wird es digitalisiert und weiter verarbeitet. Insbesondere dient es zur Korrektur der Schaltschwelle. Außerdem kann die Temperatur der Sendespule 1 und ihrer Umgebung durch Vergleich mit im Mikrocontroller abgelegten Messwerten erfolgen. So kann nicht nur der Einfluss der Sendespule 1 und des Schwingkreiskondensators Cp, sondern u. a. die thermische Ausdehnung des Sensors berücksichtigt werden.
Wie in der Figur nur beispielhaft gezeigt, können über die Anschlüsse PB4 und PB5 weitere Parameter in den Mikrocontroller ein- oder ausgegeben werden.
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule 1 zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes zum Nachweis eines leitfähigen Objekts in einem Überwachungsbereich und einer Auswerteschaltung 2 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Senderspule 1 mit einer Oszillatorschaltung 3 zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes verbunden ist. Diese Anordnung ist ohne weiteres der Lage, bei Annäherung eines leitfähigen Objekts 8 ein binäres Schaltsignal zu erzeugen.
Die Sendespule 1 ist zusätzlich mit einer Stromquelle 4 verbunden, die einen niederfrequenten Strom zur Messung des Kupferwiderstands 5 der Sendespule 1 erzeugt. Die von der Stromquelle 4 erzeugte niederfrequente Wechselspannung über dem Kupferwiderstand 5 der Sendespule 1 wird erfindungsgemäß mit einem Lock-in-Verstärker 6 herausgefiltert und der Auswerteschaltung 2 zugeführt. Der Lock-in-Verstärker berechnet hierbei die Kreuzkorrelation zwischen einem niederfrequenten Taktsignal und dem phasensynchronen Messsignal über dem Kupferwidertand der Sendespule 1.
Die Auswerteschaltung 2 weist Mittel zur Berechnung des Kupferwiderstandes 5 und zur Beeinflussung der Schaltschwelle für das binäre Schaltsignal auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Strom der Stromquelle 4 zur Verbesserung des Störabstandes mit einer Codefolge moduliert.
Das Verfahren zur Messung des Kupferwiderstandes 5 der Sendespule 1 weist folgende wesentliche Verfahrensschritte auf:

– Erzeugung eines niederfrequenten Stroms bekannter Stromstärke, – Beaufschlagung der Sendespule 1 und des Kupferwiderstands 5 mit diesem Strom,
– Messung der über dem Kupferwiderstand 5 dadurch hervorgerufenen Spannung,
– Ermittlung des Kupferwiderstands 5 aus dem Strom der Stromquelle 4 und der über dem Kupferwiderstand 5 gemessenen Spannung in der Auswerteschaltung 2.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der gemessenen Kupferwiderstand 5 der Sendespule 1 bei der Festlegung einer temperaturabhängigen Schaltschwelle bei der Erzeugung des binären Schaltsignals berücksichtigt.
Bezugszeichenliste

1: Sendespule
2: Auswerteschaltung zur Erzeugung eines binären Schaltsignals
2a: Impedanzwandler/Tiefpass
2b: Mikrocontroller, Signalprozessor
3: Oszillatorschaltung, Stromspiegeloszillator
4: Niederfrequente Stromquelle
5: Kupferwiderstand der Sendespule 1
6: Lock-in-Verstärker
6a: Impedanzwandler/Tiefpass
6b: Spannungsverstärker, 60 dB
6c: Multiplizierer
6d: Impedanzwandler/Trennstufe
7: Stromversorgung
8: Leitfähiges Objekt, Target, Schaltfahne
Cs: Schwingkreiskondensator
G: Niederfrequenzgenerator
Ra: Abgleichwiderstand für die Schwingungsamplitude
Rb: Startwiderstand
SA: Schaltausgang
Ub: Betriebsspannung

Claims

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines leitfähigen Objekts mit einer Sendespule (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes und einer Auswerteschaltung (2) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Sendespule (1) mit einer Oszillatorschaltung (3) zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendespule (1) mit einer niederfrequent getakteten Gleichstromquelle (4) und mit einem Lock-in-Verstärker (6) verbunden ist, wobei der Strom der niederfrequent getakteten Gleichstromquelle (4) eine Spannung über dem Kupferwiderstand (5) der Sendespule (1) erzeugt, die Spannung mit dem Lock-in-Verstärker (6) gemessen und aus dem Strom und der Spannung der Kupferwiderstand (5) bestimmt wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteschaltung (2) Mittel zur Berechnung des Kupferwiderstandes (5) und zur zur Beeinflussung der Schaltschwelle für das binäre Schaltsignal aufweist.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom der Stromquelle (4) zur Verbesserung des Störabstandes mit einer Codefolge moduliert ist.
Verfahren zur Messung des Kupferwiderstandes (5) der Sendespule (1) eines induktiven Näherungsschalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Stromquelle (4) einen niederfrequent getakteten Gleichstrom bekannter Stromstärke erzeugt, – die Sendespule (1) und damit auch ihr Kupferwiderstand (5) mit dem Strom der Stromquelle (4) beaufschlagt wird, – die von der niederfrequent getakteten Gleichstromquelle (4) hervorgerufene Spannung über dem Kupferwiderstand (5) der Sendespule (1) gemessen wird, – der Kupferwiderstand (5) aus dem bekannten Strom der Stromquelle (4) und der gemessenen Spannung über dem Kupferwiderstand (5) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupferwiderstand (5) der Sendespule (1) bei der Festlegung einer temperaturabhängigen Schaltschwelle bei der Erzeugung des binären Schaltsignals berücksichtigt wird.