DE102015207265B4

DE102015207265B4 - Verfahren zur Einstellung eines Näherungsschalters und Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102015207265B4
Application number: DE102015207265.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Tahedl
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2035-04-23
Also published as: DE102015207265A1; WO2016169781A1; CN107534439B; CN107534439A; US20180123588A1

Abstract

Verfahren zur Einstellung der Schaltschwelle eines berührungslos arbeitenden Näherungsschalters mit einem Sensor (1) zur Wandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Sensorsignal S(x), einer Steuereinheit (3) zur Auswertung des elektrischen Sensorsignals S(x) und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals durch Vergleich mit einer Schaltschwelle Sein, sowie mit einem Bedienelement (4) zur Einstellung der Schaltschwelle Sein in Abhängigkeit von einem Stellwert P, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellwerte P nichtlinear auf den Stellweg des Bedienelementes (4) abgebildet sind, wobei die Auflösung des Bedienelementes (4) dann am größten ist, wenn das elektrische Sensorsignal S(x) in der Nähe der Schaltschwelle Sein(P) liegt und mit wachsendem Abstand nichtlinear abnimmt, so dass die Beeinflussung der Schaltschwelle Sein(P) bei einem aktuell gemessenen Sensorsignal S(x) in dessen Nähe fein ist, und mit wachsendem Abstand immer gröber wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Näherungsschalters mit einer Bandanzeige gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie einen Näherungsschalter zur Durchführung des Verfahrens.
Berührungslos arbeitende Näherungsschalter sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Sie sind mit einem induktiven magnetischen, kapazitiven, optischen oder auch Ultraschallsensor ausgestattet, senden ein Signal in einen Überwachungsbereich aus, und erkennen die Anwesenheit oder den Zustand eines Objekts anhand der Änderung einer physikalischen Größe. Der Sensor wandelt die physikalisch Größe x in ein elektrisches Sensorsignal S(x), meist eine Spannung oder einen Strom, um.
Sie sind zur Erkennung eines Gegenstandes (Target) in einem Überwachungsbereich, oder auch eines Mediums, z.B. als kapazitive Füllstands-Sensoren zur Erkennung von elektrisch nicht leitendem Material durch eine Behälterwand, oder als Durchflusswächter für die Prozessmesstechnik, geeignet. Derartige Geräte werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Das elektrische Sensorsignal wird mit der Schaltschwelle eines Komparators verglichen und in ein binäres Schaltsignal (Schaltzustandssignal) umgewandelt. Dabei wird das Signal zuvor meist digitalisiert, verarbeitet und interpretiert. Der Zustand des Schaltausgangs wird in bekannter Weise meist durch Leuchtdioden (LED) angezeigt.
Die DE 196 23 969 B4 zeigt einen Näherungsschalter, bei dem die Schaltschwelle mit einem Potentiometer eingestellt werden kann. Das Potentiometer ist derart mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden, dass eine lineare Veränderung der Potentiometerstellung einer linearen Änderung des Schaltabstandes entspricht.
Zur Einstellung von Näherungsschaltern mit großem Einstellbereich werden häufig Mehrgangpotentiometer verwendet, um die nötige Einstellgenauigkeit zu erreichen. Nachteilig ist, dass für die Einstellung mehrere Umdrehungen nötig sind und keine Information über die Drehrichtung, die Grenzen und die aktuelle Einstellung verfügbar ist.
Die US 8 456 271 B1 zeigt einen Näherungsschalter mit einem Mehrgangpotentiometer. Das Potentiometer ist mit einem Malteserrad verbunden, dass sich bei jeder Umdrehung einen Schritt weiterbewegt, wobei dessen Stellung in einem Sichtfenster ablesbar ist.
Ein anderes bekanntes Einstellkonzept beruht auf der Bedienung mit einer oder mehreren Tasten. Nachteilig ist ein komplexer, wenig intuitiver und damit nicht benutzerfreundlicher Einstellprozess.
Die EP 0 844 464 A1 zeigt einen solchen Näherungsschalter, bei dem der Schaltabstand auch durch einen Lernvorgang (teach-in) eingestellt werden kann. Die Schaltschwelle und das aktuelle Sensorsignal werden jeweils durch eine LED-Kette (Bargraph) angezeigt.
Die DE 39 27 744 A1 zeigt einen Sensor, bei dem ein analoges elektrisches Sensorsignal einem Komparatornetzwerk zugeführt und durch eine Leuchtdiodenkette angezeigt wird.
Nachteilig ist, dass die Schaltschwellen der Komparatoren fest eingestellt sind, was die Anzahl der darstellbaren Schaltschwellen auf die Anzahl der Komparatoren und auch der Leuchtdioden begrenzt.
Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, im gesamten Einstellbereich eine feinere Einstellung bzw. eine höhere Auflösung bei der Bandanzeige bzw. Einstellung zu erreichen, ohne den Aufwand an Bedien- und Bandanzeigeelementen nennenswert zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 4 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, sowohl das Bedienelement als auch die Bandanzeige in beide Richtungen nichtlinear, vorzugsweise logarithmisch zu skalieren, wobei in einer vorteilhaften Ausgestaltung ein linearer Zusammenhang zwischen dem Bedienelement und den Bandanzeigeelementen besteht.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters
2 zeigt eine erfindungsgemäße logarithmische Skalierung des Bedienelements
3 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Näherungsschalters.
Die 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Näherungsschalter als Blockschaltbild, wobei der Sensor 1 als kapazitiver Sensor ausgeführt ist. Ein Generator G erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung, die einer oder mehreren ersten Elektroden zugeführt wird. Diese ist kapazitiv mit ihrer Umgebung und/oder einer zweiten Elektrode gekoppelt, so dass ein Verschiebungsstrom fließen kann.
Die kapazitive Kopplung der beiden Elektroden wird von einem Target 2, oder auch von einem zu überwachendem Medium 2 beeinflusst.
Das Sensorsignal wird gleichgerichtet, gefiltert und einem Mikrocontroller 3 zur Digitalisierung und weiteren Verarbeitung zugeführt. Der Mikrocontroller 3 steuert den Generator G, kann aber dessen Funktion auch selbst übernehmen. Jedenfalls erhält der Gleichrichter und/oder der Mikrocontroller das Generatorsignal zur phasenempfindlichen Gleichrichtung.
Der Mikrocontroller 3 ist mit einem Bedienelement 4, einer (Zustands-)Bandanzeige 5, hier als im Punktbetrieb arbeitende Bandanzeige 5 dargestellt, und einem vorzugsweise binären Schaltausgang (Schaltzustandsausgang) verbunden. Unter Punktbetrieb soll verstanden werden, dass in der Regel nur eine LED leuchtet. Zur Interpolation können benachbarte LEDs mit gleicher oder auch mit unterschiedlicher Helligkeit (Tastverhältnis) leuchten. Das betrifft insbesondere den Nullpunkt bei einer geraden Anzahl von LEDs. Mit höherem Stromverbrauch kann die Bandanzeige 5 auch im Balkenbetrieb arbeiten.
Das Bedienelement 4 ist symbolisch als Drehpotentiometer mit einer Skala 8 dargestellt. Es kann aber auch völlig anders ausgestaltet sein, ohne die Erfindung zu verlassen. Beispielsweise kann es sich um Drucktasten, einen Winkelgeber oder auch um eine beliebig ausgeführte elektrische Schnittstelle handeln. Die Skala 8 kann wie dargestellt gerade oder auch als Kreisbogen ausgeführt sein oder auch komplett entfallen.
Wie in 3 dargestellt und noch näher erläutert wird, ist die Abbildung des Stellwertes P auf den Schwellwert S_ein erfindungsgemäß nicht linear, sondern vorzugsweise exponentiell. Idealerweise ist die Abbildung so gewählt, dass sich wieder ein linearer Zusammenhang mit der nichtlinear vom Sensorsignal S(x) und der Schaltschwelle S_ein abhängigen Bandanzeige 5 ergibt. Insbesondere wird bei Verwendung eines Potentiometers im Bedienelement 4 eine bestimmte Winkeländerung von beispielsweise ΔP = 30° genau auf einen LED-Schritt abgebildet.
Die Bandanzeige 5 ist hier als geradlinige Bandanzeige dargestellt. Sie kann aber auch als Kreisbogen, als Sektor oder in einer beliebigen Anordnung diskreter Anzeigeelemente ausgeführt sein. Erfindungsgemäß weist sie eine Anzahl von LEDs auf, was anders geartete sichtbare Bandanzeigen aber nicht ausschließen soll. Die Anzahl der LEDs kann, je nachdem wie der Nulldurchgang angezeigt werden soll, gerade oder auch ungerade sein. Die mit SA bezeichnete, meist gelbe LED zeigt den Schaltzustand an.
Die mittlere LED signalisiert die geringste Differenz zwischen dem Sensorsignal S(x) und der eingestellten Schaltschwelle S_ein. Nach außen wird die zur Aktivierung der nächsten LED erforderliche Signaldifferenz in beide Richtungen immer größer, insbesondere nimmt sie logarithmisch zu. Das bedeutet, die inneren Elemente 6 signalisieren einen geringeren und die äußeren Elemente 7 einen größeren Abstand des Sensorsignals S(x) zu der mit Hilfe des Bedienelements 4 eingestellten Schaltschwelle S_ein(P).
So erfolgt der Schaltvorgang immer in der Mitte der Bandanzeige, wobei dem Bediener zu jeder Zeit angezeigt wird, wie weit das aktuelle Sensorsignal S(x) von der eingestellten Schaltschwelle S_ein entfernt ist, und zwar in beide Richtungen, d.h. es wird ihm angezeigt, ob die Kopplung zwischen Target 2 oder Medium und der Sensorelektrode (Bedämpfung) noch zu gering oder bereits zu hoch für einen Schaltvorgang ist. Darüber hinaus wird auch die Lage der Schaltschwelle S_ein zwischen zwei Zuständen sichtbar.
So wird jede Bewegung des Targets 2 des zu überwachenden Mediums, aber auch des Bedienelements 4 erkennbar. Die Bandanzeige 5 wird somit als dynamisch skaliertes Fenster über den erlaubten Wertebereich der Schaltschwelle S_ein geführt.
Die 2 zeigt die erfindungsgemäß logarithmische Skalierung der Bandanzeige 5, wobei die Abszisse die Differenz zwischen dem Sensorsignal S(x) und der Schaltschwelle S_ein anzeigt, und die Ordinate das davon abhängige Bandanzeigeelement, die Nummer der LED, angibt.
Die Skalierung kann symmetrisch auch unsymmetrisch in beide Richtungen ausgeführt sein. Sie ist vorzugsweise, aber nicht unbedingt logarithmisch. Die Skalierung wird aber erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass die Stellwerte nichtlinear auf den Stellweg des Bedienelementes 4 abgebildet sind, wobei die Auflösung des Bedienelementes 4 dann am größten ist, wenn das elektrische Sensorsignal S(x) in der Nähe der Schaltschwelle S_ein(P) liegt und mit wachsendem Abstand nichtlinear abnimmt, so dass die Beeinflussung der Schaltschwelle Sein(P) bei einem aktuell gemessenen Sensorsignal S(x) in dessen Nähe fein ist, und mit wachsendem Abstand immer gröber wird. Erfindungsgemäß wird das Bedienelement 4 so skaliert, dass sich ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem Bedienelement 4 und der Bandanzeige 5 ergibt.
Wenn die Bandanzeige 5, wie in 1 gezeigt, eine ungerade Anzahl von Elementen aufweist, wird das mittlere Element mit „0“ bezeichnet und zeigt an, ob sich das Sensorsignal S(x) in einem definierten Bereich, z. B. im Hysteresebereich am Nullpunkt (Nulldurchgang): Sein = S(x) mit x = x0 befindet.
Die 3 zeigt ein detaillierteres Blockschaltbild der in 1 dargestellten Anordnung. Insbesondere soll die Signalverarbeitung im Mikrocontroller 3 verdeutlicht werden, ohne die Erfindung auf die Software-Verarbeitung in einem Mikrocontroller zu beschränken.
Zur Bewertung des Sensorsignals S(x) wird die Schaltschwelle S_ein (P) vom Sensorsignal S(x) subtrahiert und erfindungsgemäß nichtlinear, vorzugsweise logarithmisch, auf die im Punktbetrieb arbeitende Bandanzeige 5 abgebildet. Das hat zur Folge, dass bei Erreichen der Schaltschwelle S_ein durch das Sensorsignal S(x) eine Null ausgegeben wird. In diesem Falle leuchtet, wie angedeutet, die mittlere LED, d.h. Schaltschwelle erreicht, und der als Schalter dargestellte binäre Schaltausgang A wechselt seinen Zustand.
Der Schaltausgang kann abweichend von der Darstellung auch unmittelbar an die Differenzbildung angeschlossen sein. Natürlich ist auch eine Hysterese vorhanden, um ein Flattern des Schaltausgangs A und der Anzeige-LED SA zu vermeiden.
Der Schwellwert S_ein ist vom Stellwert P am Bedienelement 4 und vom Sensorsignal S(x) abhängig, wobei die Bildungsvorschrift so gewählt ist, dass sich vorzugsweise ein linearer Zusammenhang zwischen dem Bedienelement 4 und der Bandanzeige 5 ergibt. Die Bildungsvorschrift ist wegen der nichtlinearen Abbildung des Differenzsignals Δ(S_ein, P, ...) auf die Bandanzeige 5 ebenfalls nichtlinear, sondern vorzugsweise exponentiell, ohne die Erfindung auf einen exponentiellen Zusammenhang zu beschränken.
Es sind auch andere nichtlineare Abbildungen zwischen dem Bedienelement 4 und der vorzugsweise im Punktbetrieb arbeitenden Bandanzeige 5 denkbar.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Target (Normtarget oder ein zu erkennendes Medium)
3: Steuereinheit
4: Bedienelement zur Einstellung des Näherungsschalters
5: Bandanzeige, vorzugsweise im Punktbetrieb
6: Innere Elemente der Bandanzeige 5
7: Äußere Elemente der Bandanzeige 5
8: Skala des Bedienelements 4

Claims

Verfahren zur Einstellung der Schaltschwelle eines berührungslos arbeitenden Näherungsschalters mit einem Sensor (1) zur Wandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Sensorsignal S(x), einer Steuereinheit (3) zur Auswertung des elektrischen Sensorsignals S(x) und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals durch Vergleich mit einer Schaltschwelle S_ein, sowie mit einem Bedienelement (4) zur Einstellung der Schaltschwelle S_ein in Abhängigkeit von einem Stellwert P, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellwerte P nichtlinear auf den Stellweg des Bedienelementes (4) abgebildet sind, wobei die Auflösung des Bedienelementes (4) dann am größten ist, wenn das elektrische Sensorsignal S(x) in der Nähe der Schaltschwelle S_ein(P) liegt und mit wachsendem Abstand nichtlinear abnimmt, so dass die Beeinflussung der Schaltschwelle Sein(P) bei einem aktuell gemessenen Sensorsignal S(x) in dessen Nähe fein ist, und mit wachsendem Abstand immer gröber wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die positive und negativen Differenz Δ(S_ein, P, ...) zwischen dem elektrischen Sensorsignal S(x) und der Schaltschwelle S_ein(P) mit einer Bandanzeige (5) angezeigt wird, wobei zwischen der Skalierung des Bedienelements (4) und der Bandanzeige (5) eine lineare Beziehung besteht.
Näherungsschalter mit einem Sensor (1) zur Wandlung einer physikalischen Größe in ein elektrisches Sensorsignal S(x), wobei die physikalische Größe durch ein Target (2) beeinflussbar ist, und die Stärke des elektrischen Sensorsignals S(x) von einer dem Target (2) zugeordneten Variablen x abhängt, einer Steuereinheit (3) zur Auswertung des elektrischen Sensorsignals S(x) und zur Erzeugung eines binären Schaltsignals durch Vergleich mit einer vom Stellwert P eines Bedienelements (4) abhängigen Schaltschwelle S_ein(P), sowie einer Bandanzeige (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Bandanzeige (5) die positive und negativen Differenz Δ(S_ein, P, ...) zwischen dem elektrischen Sensorsignal S(x) und der Schaltschwelle S_ein(P) anzeigt, die innere Elemente (6) und äußere Elemente (7) aufweist, wobei die inneren Elemente (6) einen geringeren und die äußeren Elemente (7) einen größeren Abstand des elektrischen Sensorsignals S(x) zur Schaltschwelle S_ein(P) signalisieren.
Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandanzeige (5) nichtlinear skaliert ist, wobei der Abstand zwischen dem elektrischen Sensorsignal S(x) und der Schaltschwelle S_ein(P) ausgehend von der Mitte der Skala (8) in beide Richtungen nach außen zunimmt.
Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Skalierung ausgehend von der Mitte der Skala (8) in beide Richtungen symmetrisch ist.