DE102014209339B4

DE102014209339B4 - Induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102014209339B4
Application number: DE102014209339.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Lautenschläger
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-05-17
Also published as: DE102014209339A1

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, wobei der Differentialtransformator (2, 4a, 4b) einen Abgleichwiderstand (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand ein nichtlinearer Widerstand ist, dessen Wert und damit sein Einfluss auf den Differentialtransformator von der Stärke des magnetischen Wechselfeldes der Sendespule und damit von der Amplitude des Sendestromes abhängt.

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 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 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 angesteuert 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 Abgleichwiderstand mit der etwas stärker mit der Sendespule gekoppelten Empfangsspule verbunden. Bei geringer Sendeamplitude verhält sich der AbgleichWiderstand 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 Oszillator 1 beruht auf einer aus der Patentliteratur bekannten Stromspiegelschaltung. Die Sendespule 2 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 und 4b gekoppelte Sendespule 2 bildet den genannten Differentialtransformator, der erfindungsgemäß durch den nichtlinearen, hier von der Signalhöhe an der Empfangsspule 4a abhängigen Abgleichwiderstand 7 auf die oben beschriebene Weise abgeglichen wird. Das dargestellte antiparallel geschaltete Diodenpaar soll die Arbeitsweise verdeutlichen, ohne die Erfindung darauf zu beschränken. Es kann sich auch um 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 Empfangsspulenpaar 4a, 4b.
Die Empfangsspule 4a wird bei höheren Sendeamplituden zusätzlich belastet, so das der Abgleich wie beschrieben erfolgen kann. Der Abgleich erfolgt normalerweise ohne Target 3, 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 Abgleichwiderstand 7 an einer Anzapfung 8 der Sendespule 2 und einem antiparallel ausgewerteten Empfangsspulenpaar 4a, 4b. 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 an die Anzapfung 8 angeschlossenen Abgleichwiderstand 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 mV betragender Wert U(s) erreicht wird. Die Verstärker V1 und V2 entkoppeln den als phasenempfindlichen Gleichrichter arbeitenden Mischer 5 vom Differentialtransformator. Die am Mischer 5 entstehende Ausgangsspannung wird dem als Analog/Digital-Wandler wirkenden Port PB3 des Mikrocontrollers 6 zugeführt. Über den Port PB4 kann das gleichgerichtete Sendesignal eingelesen werden. Der als Steuereinheit wirkende Mikrocontroller 6 ist 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 und 4b
5: Mischer, Phasenempfindlicher Gleichrichter
6: 5. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinheit, Mikrocontroller
7: Abgleichwiderstand
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 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, wobei der Differentialtransformator (2, 4a, 4b) einen Abgleichwiderstand (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand ein nichtlinearer Widerstand ist, dessen Wert und damit sein Einfluss auf den Differentialtransformator von der Stärke des magnetischen Wechselfeldes der Sendespule und damit von der Amplitude des Sendestromes abhängt.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er derart ausgestaltet ist, dass 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleichwiderstand (7) eine Induktivität oder eine Kapazität aufweist.