DE102014209243A1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents
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Abstract
Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator 1 mit einer Sendespule 2 zur Erzeugung eines von einen Target 3 beeinflussbaren magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule 2 gekoppelten gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulenpaar 4a, b, wobei der Oszillator 1 und die Empfangsspulen 4a, b mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter 5 zur Auswertung der transformatorischen Kopplung zwischen der Sendespule 2 und den Empfangsspulen 4a, b verbunden sind, wobei eine Auswerteeinheit 6 ein vom Target 3 beeinflusstes Schaltsignal erzeugt, bei dem das Target 3 anhand der Änderung der Phase und/oder der Amplitude der in den Empfangsspulen 4a, b induzierten Spannungen erkannt wird wobei ein von der Auswerteeinheit 6 gesteuerter Widerstand 7 vorhanden ist, der über eine Anzapfung 8 mit der Sendespule 2 verbunden ist, wobei der angezapfte Teil der Sendespule 2 stärker mit einer der beiden Empfangsspulen 4a und 4b gekoppelt ist, und wobei durch den gesteuerten Widerstand 7 die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen 4a und 4b induzierten Wechselspannung beeinflusst werden, und mittels des gesteuerten Widerstands 7 ein Targetabstand einstellbar ist, bei dem die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Gleichrichters 5 einen bestimmten Wert erreicht.
Description
- Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Induktive Näherungsschalter sind seit langem bekannt und werden auch von der Anmelderin in großer Stückzahl hergestellt und vertrieben.
- In einer weit verbreiteten Ausgestaltung weisen sie einen Schwingkreis mit einer Spule und einem Kondensator auf, der von einer Oszillatorschaltung angeregt wird. Bei Annäherung eines metallischen bzw. elektrisch leitfähigen Gegenstandes, Schaltfahne oder auch Target genannt, ändert sich der Schwingungszustand des Oszillators. Üblicherweise wird die Amplitude der Oszillatorschwingung ausgewertet. Bei Erreichen oder Unterschreiten einer bestimmten Signalhöhe, die in der Regel einem bestimmten Abstand der Schaltfahne entspricht, wird ein binäres Schaltsignal ausgegeben.
- Als besonders günstig hat sich eine Anordnung mit einer Sendespule und zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulen erwiesen. Ein solcher Differentialtransformator kann in bekannter Weise so gestaltet werden, dass die Kopplung einer der beiden Empfangsspulen und der Sendespule stärker von einem zu detektierenden Target beinflussbar ist, als die der anderen.
- Es sind aber auch Anordnungen mit einem fremd gespeisten Differentialtransformator bekannt, bei denen entweder nur die Sendespule Bestandteil eines Oszillators ist, oder diese von einem Hochfrequenzgenerator mit oftmals rechteckförmigen Pulsen angeregt wird.
- Auch hier wird meistens das Differenzsignal der Empfangsspulen ausgewertet, wobei diese sowohl gegensinnig in Reihe als auch antiparallel geschaltet sein können.
- Die Empfindlichkeit der Anordnung hängt wesentlich vom Abgleich des Empfangsspulenpaares ab. Je kleiner das Summensignal der gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulen wird, bzw. je besser sich die in den antiparallel geschalteten Empfangsspulen gegenseitig aufheben, um so empfindlicher reagiert die Anordnung auf eine vom Target hervorgerufene Störung.
- Aus der
DE 100 12 830 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter von der eben beschriebenen Art bekannt. Gezeigt werden eine von einem Oszillator gespeiste Sendespule und eine Empfangsspule mit geerdeter Mittenanzapfung. Die äußeren Anschlüsse der Empfangsspule sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden, dessen Ausgangssignal in bekannter Weise mit dem Oszillatorsignal gemischt, d.h. phasenempfindlich gleichgerichtet wird. - Als nachteilig wird der fehlende elektronische Abgleich des Empfangsspulenpaares angesehen, denn selbst wenn der werkseitige Abgleich in befriedigender Weise gelingt, bleibt der Einfluss der Einbaulage und/oder auch der Temperatur erhalten.
- Die
DE 103 62 165 A1 offenbart eine Vielzahl von miteinander verbundenen Empfangsspulen, die rings um eine Sendespule angeordnet sind. Das Sendesignal wird mit dem Summen- bzw. dem Differenzsignal der Empfangsspulen gemischt. Eine elektronische Abgleichmöglichkeit ist auch hier nicht gegeben. - Die
DE 102012 201 849 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer elektronischen Abgleichmöglichkeit. Allerdings ist dazu eine zusätzliche Wicklung erforderlich. - Die
DE 10 2010 002 201 zeigt eine induktiven Näherungsschalter mit einer elektronischen Abgleichmöglichkeit ohne zusätzliche Wicklung. Hier wird mit steuerbaren Widerständen in den Sekundärkreis des Differentialtransformators eingegriffen. Der Abgleich erfolgt mit Hilfe einer Transistor-Widerstandskombination, die in bekannter Weise durch ein pulsweitenmoduliertes Signal von einem Mikrocontroller gesteuert werden kann. Als nachteilig wird der Eingriff in den empfindlichen Sekundärkreis des Differentialtransformators angesehen. Problematisch ist die Belastung des temperaturabhängigen Kupferwiderstandes der angezapften Empfangsspulen mit dem Abgleichstrom. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden.
- Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, in den weniger empfindlichen Primärkreis einzugreifen. Der Primärkreis ist notwendigerweise stromdurchflossen. Die durch den Eingriff unvermeidlichen Güteänderungen können, sofern die Sendespule zum frequenzbestimmenden Schwingkreis gehört, lediglich zu einer nicht störenden geringfügigen Änderung der Frequenz und /oder der Amplitude.
- Erfindungsgemäß wird ein gesteuerter Widerstand mit einer Anzapfung der Sendespule verbunden. Wenn der angezapfte Teil der Sendespule stärker mit einer der beiden Empfangsspulen gekoppelt ist, kann die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und auch die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen induzierten Wechselspannung beeinflusst werden. So kann mittels des gesteuerten Widerstands ein Targetabstand eingestellt werden, bei dem ein vorgegebener Schwellwert erreicht wird. Vorteilhaft detektiert man den Nulldurchgang, d.h. den Targetabstand, bei dem sich die Signale der Empfangsspulen gegenseitig aufheben.
- Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Abstandes wird das Empfangssignal in bekannter Weise mit dem Sendesignal gemischt, d. h. phasenempfindlich gleichgerichtet und nach einer Tiefpassfilterung einem Schwellwertschalter (Trigger) oder Analog/Digital-Wandler zugeführt, und vorzugsweise zur Erzeugung eines binären Schaltsignals genutzt.
- Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
1 zeigt die wichtigsten Baugruppen eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters, -
2 ein Ausführungsbeispiel für eine einlagige Leiterplattenspule -
3 zeigt verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Abgleichs der Sendespule. - Die
1 gibt einen Überblick über die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters. Der Oszillator1 beruht auf einer aus der Patentliteratur bekannten Stromspiegelschaltung. Die Sendespule2 ist Bestandteil des frequenzbestimmenden Schwingkreises, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Die Oszillatoramplitude wird mit dem Widerstand Ra eingestellt, der auch ein vom Mikrocontroller6 gesteuerter Widerstand sein kann - Die Sendespule
2 ist induktiv mit den Empfangsspulen4a und4b gekoppelt und bildet so den oben erwähnten Differentialtransformator, der erfindungsgemäß mit Hilfe des mit der Anzapfung8 verbunden gesteuerten Widerstands7 abgeglichen wird. Der Widerstand7 ist hier als von der Auswerteinheit6 (µC) mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) gesteuerter Optokoppler dargestellt, was die Erfindung aber nicht darauf beschränken soll. Der Widerstand7 kann auch ein digitales Potentiometer die genannte Transistor-Widerstandskombination oder eine beliebig ausgeführte steuerbare Impedanz aufweisen. - Da die beiden Teile der Sendspule
2 notwendigerweise unterschiedlich mit den Empfangsspulen4a und4b gekoppelt sind, kann die Verteilung des Magnetfeldes im Differentialtransformator und damit Amplitude und Phase der in den Empfangsspulen4a und4b induzierten Spannung Us(t) mit dem die Anzapfung8 angeschlossenen von der Auswerteeinheit6 gesteuerten Widerstand7 beeinflusst werden. So ist ein Targetabstand einstellbar, bei dem sich das Vorzeichen das am phasenempfindlichen Gleichrichter5 (Mischer) entstehenden Signals ändert, bzw. ein vorgegebener, vorzugsweise nur einige Millivolt betragender Wert U(s) erreicht wird. - Die Verstärker V1 und V2 entkoppeln den als phasenempfindlichen Gleichrichter arbeitenden Mischer
5 vom Differentialtransformator. Die am phasenempfindlichen Gleichrichter5 entstehende Ausgangsspannung wird dem als Analog/Digital-Wandler wirkenden Port PB3 des Mikrocontrollers6 zugeführt. Über den Port PB4 wird das gleichgerichtete Oszillatorsignal zur Amplitudenkontrolle und deren nicht hier dargestellte Regelung über den Widerstand Ra eingelesen. Schließlich ist der als Steuer- und Auswerteinheit wirkende Mikrocontroller6 mit den bekannten Mittel zur Ausgabe eines binären Schaltsignals mit einer optischen Anzeige (LED) und/oder einer Schaltstufe A verbunden. - Die
2 zeigt eine erfindungsgemäße Leiterplattenspule in einer vereinfachten Darstellung. Die Wicklungen sind mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen. Innen befindet sich die erste Empfangsspule4a . Wegen ihres geringeren Spulendurchmessers ist sie weniger von einem sich nähernden Target3 beeinflussbar. Der zwischen Masse und der Anzapfung8 liegende Teil der Sendespule2 ist wie auch in der1 dargestellt, besser mit der Empfangsspule4a gekoppelt. Der restliche Teil der Sendespule2 schließt sich nach außen an. Die zweite Empfangsspule4b befindet sich am Rand und koppelt wegen ihres größeren Spulendurchmessers besser mit dem Target3 . - Die
3 zeigt drei weitere erfindungsgemäße Abgleichmöglichkeiten. In der oben gezeigten ersten Ausgestaltung ist die Anzapfung8 der Sendespule2 mit zwei Kapazitäten Cs1 und Cs2 verbunden, die jeweils einen Teil der Sendespule2 überbrücken. So entstehen zwei Parallelschwingkreise, wobei der obere, unbelastete eine hohe Güte und der untere, durch den Abgleichwiderstand7 belastete Schwingkreis, eine geringe Güte aufweist. So lange für den unteren Schwingkreis die Schwingbedingung nicht erfüllt ist, können Phase und Amplitude der mit Us(t) bezeichnete Spannung am Eingang des Verstärkers V1 eingestellt werden, ohne das es zu Schwingungen auf der Eigenfrequenz des unteren Schwingkreises kommt. - Die in der Mitte gezeigte Ausgestaltung der Erfindung zeigt ebenfalls zwei Schwingkreise. Der Abgleichwiderstand
7 liegt hier als Reihenwiderstand im unteren Schwingkreis. Bezüglich des Schwingverhaltens und der Einstellung von Us(t) gelten die obigen Ausführungen. - Die im unteren Teil gezeigte Ausgestaltung weist zwei Abgleichwiderstände
7a und7b auf. Diese wirken als Reihenwiderstand des gesamten Schwingkreises oder als Parallelwiderstand für den angezapften Teil der Sendespule2 . - Der Stromspiegeloszillator ist jeweils nur angedeutet. Die Tiefpässe wurden zur Vereinfachung weggelassen. Die steuerbaren Widerstände
7 können auch digitale Potentiometer o. ä. sein. - Die Erfindung betrifft einen induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator
1 mit einer Sendespule2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule2 gekoppelten gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulenpaar4a und b, wobei der Oszillator1 und die Empfangsspulen4a und b mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter5 zur Auswertung der von einem Target3 beeinflussten transformatorischen Kopplung zwischen der Sendespule2 und den Empfangsspulen(4a und b verbunden sind, wobei eine Auswerteeinheit6 ein vom Abstand des Targets3 abhängiges Schaltsignal erzeugt, bei dem das Target3 anhand der Änderung der Phase und/oder der Amplitude der in den Empfangsspulen4a und b induzierten Spannungen erkannt wird, wobei dass ein von der Auswerteeinheit6 gesteuerter Widerstand7 über eine Anzapfung8 mit der Sendespule2 verbunden ist, wobei der angezapfte Teil der Sendespule2 stärker mit einer der beiden Empfangsspulen4a und b gekoppelt ist, und wobei durch den gesteuerten Widerstand7 die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen4a und b induzierten Spannung beeinflusst, und mittels des gesteuerten Widerstands7 ein Targetabstand einstellbar ist, bei dem die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Gleichrichter einen bestimmten Wert erreicht. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Oszillator
- 2
- Sendespule
- 3
- Target, Schaltfahne
- 4
- Empfangsspule mit den Wicklungen
4a und4b - 5
- Mischer, Phasenempfindlicher Gleichrichter
- 6
- Auswerteeinheit (µC)
- 7
- Gesteuerter Widerstand, auch zweigeteilt
7a und7b - 8
- Anzapfung der Sendespule
2 - 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
-
- DE 10012830 A1 [0008]
- DE 10362165 A1 [0010]
- DE 102012201849 A1 [0011]
- DE 102010002201 [0012]
Claims (6)
- Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator (
1 ) mit einer Sendespule (2 ) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule (2 ) gekoppelten gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulenpaar (4a , b), wobei der Oszillator (1 ) und die Empfangsspulen (4a , b) mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter (5 ) zur Auswertung der von einem Target (3 ) beeinflussten transformatorischen Kopplung zwischen der Sendespule (2 ) und den Empfangsspulen (4a , b) verbunden sind, wobei eine Auswerteeinheit (6 ) ein vom Abstand des Targets (3 ) abhängiges Schaltsignal erzeugt, bei dem das Target (3 ) anhand der Änderung der Phase und/oder der Amplitude der in den Empfangsspulen (4a , b) induzierten Spannungen erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein von der Auswerteeinheit (6 ) gesteuerter Widerstand (7 ) über eine Anzapfung (8 ) mit der Sendespule (2 ) verbunden ist, wobei der angezapfte Teil der Sendespule (2 ) stärker mit einer der beiden Empfangsspulen (4a , b) gekoppelt ist, und wobei durch den gesteuerten Widerstand (7 ) die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen (4a , b) induzierten Spannung beeinflusst, und mittels des gesteuerten Widerstands (7 ) ein Targetabstand einstellbar ist, bei dem die Ausgangsspannung des phasenempfindlichen Gleichrichter einen bestimmten Wert erreicht. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander gesteuerte Widerstände (
7a ) und (7b ) vorhanden sind. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (
7a ) als Parallelwiderstand für den angezapften Teil der Sendespule (2 ) und der zweite Widerstand (7b ) als Serienwiderstand zur Sendespule (2 ) wirkt. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfung (
8 ) der Sendespule (2 ) mit zwei Kapazitäten Cs1 und Cs2 verbunden ist, die jeweils einen Teil der Sendespule (2 ) überbrücken, wobei zwei Parallelschwingkreise entstehen. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein gesteuerter Widerstand (
7 ) zu einem Schwingkreiskondensator Cs in Reihe geschaltet ist. - Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (
2 ,4a ,4b ) als Leiterplattenspulen ausgebildet sind.
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- 2014-05-15 DE DE102014209243.4A patent/DE102014209243B4/de active Active
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