DE102014209243B4

DE102014209243B4 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102014209243B4
Application number: DE102014209243.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Gundlach; Markus Preg; Klaus-Peter Westrup
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-05-15
Filing date: 2014-05-15
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: DE102014209243A1

Abstract

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.

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 10 2012 201 849 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer elektronischen Abgleichmöglichkeit. Allerdings ist dazu eine zusätzliche Wicklung erforderlich.
Die DE 10 2010 002 201 A1 zeigt einen 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 nachveröffentlichte DE 10 2014 207 482 A1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule und zwei Empfangsspulen, wobei ein von einer Auswerteeinheit gesteuerter Widerstand über eine Anzapfung mit der Sendespule verbunden ist. Da der angezapfte Teil der Sendespule stärker mit einer der beiden Empfangsspulen gekoppelt ist, beeinflusst der gesteuerten Widerstand die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den beiden Empfangsspulen induzierten Wechselspannung und somit auch den Schaltabstand.
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 führen.
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 Oszillator 1 beruht auf einer aus der Patentliteratur bekannten Stromspiegelschaltung. Die Sendespule 2 ist Bestandteil des frequenzbestimmenden Schwingkreises, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Die Oszillatoramplitude wird mit dem Widerstand Ra eingestellt, der auch ein vom Mikrocontroller 6 gesteuerter Widerstand sein kann
Die Sendespule 2 ist induktiv mit den Empfangsspulen 4a und 4b gekoppelt und bildet so den oben erwähnten Differentialtransformator, der erfindungsgemäß mit Hilfe des mit der Anzapfung 8 verbunden gesteuerten Widerstands 7 abgeglichen wird. Der Widerstand 7 ist hier als von der Auswerteinheit 6 (µC) mit einem pulsweitenmodulierten Signal (PWM) gesteuerter Optokoppler dargestellt, was die Erfindung aber nicht darauf beschränken soll. Der Widerstand 7 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 Empfangsspulen 4a und 4b gekoppelt sind, kann die Verteilung des Magnetfeldes im Differentialtransformator und damit Amplitude und Phase der in den Empfangsspulen 4a und 4b induzierten Spannung Us(t) mit dem die Anzapfung 8 angeschlossenen von der Auswerteeinheit 6 gesteuerten Widerstand 7 beeinflusst werden. So ist ein Targetabstand einstellbar, bei dem sich das Vorzeichen das am phasenempfindlichen Gleichrichter 5 (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 Gleichrichter 5 entstehende Ausgangsspannung wird dem als Analog/Digital-Wandler wirkenden Port PB3 des Mikrocontrollers 6 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 Mikrocontroller 6 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 Empfangsspule 4a. Wegen ihres geringeren Spulendurchmessers ist sie weniger von einem sich nähernden Target 3 beeinflussbar. Der zwischen Masse und der Anzapfung 8 liegende Teil der Sendespule 2 ist wie auch in der 1 dargestellt, besser mit der Empfangsspule 4a gekoppelt. Der restliche Teil der Sendespule 2 schließt sich nach außen an. Die zweite Empfangsspule 4b befindet sich am Rand und koppelt wegen ihres größeren Spulendurchmessers besser mit dem Target 3.
Die 3 zeigt drei weitere erfindungsgemäße Abgleichmöglichkeiten. In der oben gezeigten ersten Ausgestaltung ist die Anzapfung 8 der Sendespule 2 mit zwei Kapazitäten Cs1 und Cs2 verbunden, die jeweils einen Teil der Sendespule 2 überbrücken. So entstehen zwei Parallelschwingkreise, wobei der obere, unbelastete eine hohe Güte und der untere, durch den Abgleichwiderstand 7 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 und 7b auf. Diese wirken als Reihenwiderstand des gesamten Schwingkreises oder als Parallelwiderstand für den angezapften Teil der Sendespule 2.
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 Sendespule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule 2 gekoppelten gegensinnig in Reihe geschalteten Empfangsspulenpaar 4a und b, wobei der Oszillator 1 und die Empfangsspulen 4a und b mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter 5 zur Auswertung der von einem Target 3 beeinflussten transformatorischen Kopplung zwischen der Sendespule 2 und den Empfangsspulen 4a und 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 und b induzierten Spannungen erkannt wird, wobei 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 und 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 und 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.
Bezugszeichenliste

1: Oszillator
2: Sendespule
3: Target, Schaltfahne
4: Empfangsspule mit den Wicklungen 4a und 4b
5: Mischer, Phasenempfindlicher Gleichrichter
6: Auswerteeinheit (µC)
7: Gesteuerter Widerstand, auch zweigeteilt 7a und 7b
8: Anzapfung der Sendespule 2

Claims

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.