DE102014209339A1 - Induktiver Näherungsschalter - Google Patents
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Abstract
Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator 1, mit einer Sendespule 2 zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule 2 gekoppelten Empfangsspulenpaar 4a, b, die zusammen mit der Sendespule 2 einen Differentialtransformator bilden, der 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 ist, 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 detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator 2, 4a, 4b einen Abgleichwiderstand 7 aufweist, dessen Wert sich mit der Stärke des magnetischen Wechselfeldes ändert, wobei die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen 4a, b induzierten Spannung beeinflusst wird, und mittels der Amplitude des Sendesignals ein Targetabstand einstellbar ist, bei dem die in den beiden Empfangsspulen 4a, b induzierten Spannungen betragsgleich sind.
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 Spulenanschlüsse 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 102010 002 201 A1 zeigt eine induktiven Näherungsschalter mit einer elektronischen Abgleichmöglichkeit ohne zusätzliche Wicklung. Hier wird mit nichtlinearen 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 nichtlinear 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. Weiterhin könnten die für den Abgleich notwendigen Steuerleitungen stören. - Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die genannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden und darüber hinaus den Verdrahtungsaufwand zu senken, insbesondere die Steuerleitungen zu vermeiden.
- Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den Differentialtransformator mit Hilfe der Sendeamplitude abzugleichen, und zwar mit einem nichtlinearen Widerstand, dessen Wert und damit sein Einfluss auf den Differentialtransformator von der Stärke des magnetischen Wechselfeldes der Sendespule und damit auch von der Amplitude des Sendestroms abhängt.
- Erfindungsgemäß wird der oben Abgleichwiderstand mit der etwas stärker mit der Sendespule gekoppelten Empfangsspule verbunden. Bei geringer Sendeamplitude verhält sich der Abgleich-Widerstand erfindungsgemäß überproportional hochohmig, so dass in diese Spule mehr Signal liefert, als die andere. Mit steigender Sendeamplitude kehren sich die Verhältnisse um. Der Abgleichwiderstand wird überproportional niederohmig, und belastet die Empfangsspule.
- So kann mit Hilfe des Abgleichwiderstands ein Targetabstand eingestellt werden, bei dem ein vorgegebener Schwellwert erreicht wird. Vorteilhaft detektiert man den Nulldurchgang, d.h. den Targetabstand, bei dem die Signale der Empfangsspulen betragsgleich sind, d.h. sich 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.
- Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine Steuerleitung zwischen der Empfangsspule und der Auswerteinheit, i.a. einem Mikrocontroller, erforderlich ist, womit auch die Gefahr von Störungen durch das in solche Fällen übliche pulsweitenmodulierte Steuersignal (PWM) entfällt.
- Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
-
1 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit antiparallel ausgewerteten Empfangsspulen, -
2 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit antiseriell geschalteten Empfangsspulen, -
3 zeigt einen induktiven Näherungsschalter mit dem Abgleichwiderstand an der Sendespule. - Die
1 gibt einen Überblick über die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit antiparallel ausgewerteten Empfangsspulen. Der Oszillator1 beruht auf einer aus der Patentliteratur bekannten Stromspiegelschaltung. Die Sendespule2 ist Bestandteil des frequenzbestimmenden Schwingkreises und auch des Differentialtransformators, ohne die Erfindung auf diese Konstellation zu beschränken. - Die Sendeamplitude wird in bekannter Weise mit Hilfe der Widerstandskombination RA eingestellt, die durch ein pulsweitenmoduliertes Signal von der Auswerteeinheit
6 gesteuert wird. An Stelle des dargestellten Optokopplers kann das auch ein digitales Potentiometer, oder eine Kombination aus Transistoren, Widerständen und Impedanzen sein, oder jeder andere von einem Mikrocontroller steuerbare hochfrequenztaugliche Widerstand sein, ohne die Erfindung zu verlassen. - Die induktiv mit den Empfangsspulen
4a und4b gekoppelte Sendespule2 bildet den genannten Differentialtransformator, der erfindungsgemäß durch den nichtlinearen, hier von der Signalhöhe an der Empfangsspule4a abhängigen Abgleichwiderstand7 auf die oben beschriebene Weise abgeglichen wird. Das dargestellte antiparallel geschaltete Diodenpaar soll die Arbeitsweise verdeutlichen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Er kann auch ein magnetoresistives Bauelement, beispielsweise eine GMR Zelle (GMR = giant magnetoresistance) handeln. - Die
2 gibt einen Überblick über die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit einem antiseriell geschalteten Empfangsspulenpaar4a ,4b . - Die Empfangsspule
4a wird bei höheren Sendeamplituden zusätzlich belastet, so das der Abgleich wie beschrieben erfolgen kann. Der Abgleich erfolgt normalerweise ohne Target3 , was aber einen Lernvorgang mit Target nicht ausschließen soll. Es soll nicht unerwähnt bleiben, dass eine Kompensation des Temperaturgangs oder eine Temperaturmessung erforderlich ist. - Die
3 gibt einen Überblick über die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen induktiven Näherungsschalters mit dem Abgleichwiderstand7 an einer Anzapfung8 der Sendespule2 und einem antiparallel ausgewerteten Empfangsspulen paar4a ,4b . Da die beiden Teile der Sendspule2 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 Abgleichwiderstand7 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 mV betragender Wert U(s) erreicht wird. Die Verstärker V1 und V2 entkoppeln den als phasenempfindlichen Gleichrichter arbeitenden Mischer5 vom Differentialtransformator. Die Mischer5 entstehende Ausgangsspannung wird dem als Analog/Digital-Wandler wirkenden Port PB3 des Mikrocontrollers6 zugeführt. Über den Port PB4 kann das gleichgerichtete Sendesignal eingelesen werden. Der als Steuereinheit wirkende Mikrocontroller6 zur Ausgabe eines binären Schaltsignals mit einer LED und/oder einer Schaltstufe A verbunden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Oszillator
- 2
- Sendespule
- 3
- Target, Schaltfahne
- 4
- Empfangsspule mit den Wicklungen
4a und4b - 5
- Mischer, Phasenempfindlicher Gleichrichter
- 6
- Auswerteeinheit, Mikrocontroller
- 7
- Abgleichwiderstand
- 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 A1 [0012]
Claims (5)
- Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator (
1 ), mit einer Sendespule (2 ) zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes und einem magnetisch mit der Sendespule (2 ) gekoppelten Empfangsspulenpaar (4a , b), die zusammen mit der Sendespule (2 ) einen Differentialtransformator bilden, der 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 ist, 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 detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Differentialtransformator (2 ,4a ,4b ) einen Abgleichwiderstand (7 ) aufweist, dessen Wert sich mit der Stärke des magnetischen Wechselfeldes ändert, wobei die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit die Phase und die Amplitude der in den Empfangsspulen (4a , b) induzierten Spannung beeinflusst wird, und mittels der Amplitude des Sendesignals ein Targetabstand einstellbar ist, bei dem die in den beiden Empfangsspulen (4a , b) induzierten Spannungen betragsmäßig gleich sind. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand (
7 ) eine Diode oder einen bipolaren Transistor aufweist. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand (
7 ) eine magnetoresistive Widerstandskomponente aufweist. - Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand (
7 ) eine GMR-Zelle aufweist. - Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand (
7 ) eine Induktivität oder eine Kapazität aufweist.
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DE102010043010C5 (de) * | 2010-10-27 | 2017-10-05 | Ifm Electronic Gmbh | Induktiver Näherungsschalter |
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