DE102017200694B3

DE102017200694B3 - Elektronisch einstellbarer induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE102017200694B3
Application number: DE102017200694.3A
Authority: DE
Inventors: Gerrit Jens König; Frank Lauer; Klaus-Peter Westrup
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-01-18
Filing date: 2017-01-18
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2037-01-19

Abstract

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines metallischen Auslösers in einem Überwachungsbereich mit einem Oszillator, der einen Schwingkreis zur Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes mit einer Sendespule 1 aufweist, zwei Empfangsspulen 2 und 3, die mit der Sendespule 1 einen Differentialtransformator bilden, mit einer elektronischen Schaltung 4 zur Schwingungserzeugung und einer Auswerteeinheit 5 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Sendespule 1 eine Anzapfung aufweist, die mit einem steuerbaren Widerstand 6 verbunden ist, der einen mit der Auswerteeinheit 5 verbundenen Steuereingang 7 aufweist, der mit einem pulsweitenmoduliertem Signal gespeist wird, wobei der steuerbaren Widerstand 6 die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und den Abstand beeinflusst, bei dem sich der Schaltzustand des Näherungsschalters ändert, wobei der Steuereingang 7 in Abhängigkeit vom aktuellen binären Schaltsignal mit einem analogen Einstellelement 8 zur Beeinflussung der Schalthysterese verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch einstellbaren induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Induktive Näherungsschalter sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Sie dienen zum Nachweis von elektrisch leitfähigen Auslösern in einem Überwachungsbereich, und werden u.a. auch von der Anmelderin in hohen Stückahlen hergestellt und vertrieben.
Sie enthalten einen von außen beeinflussbaren elektrischen Schwingkreis mit einer Sensorspule und einem Kondensator, wobei die Schwingungen mit Hilfe einer Oszillatorschaltung erzeugt werden.
Der Oszillator kann den üblichen rückgekoppelten Verstärker oder auch einen Negativ-Impedanzkonverter mit einer Stromspiegelschaltung aufweisen, die als negativer Widerstand wirkt und so die elektrischen Verluste des Schwingkreises kompensiert. Eine solche Schaltung wird als Stromspiegeloszillator bezeichnet.
Die Empfindlichkeit, und damit auch der Schaltabstand des Näherungsschalters werden je nach Anwendungsfall vom Hersteller eingestellt oder vom Anwender nach Bedarf verändert. Deshalb ist eine Abgleichmöglichkeit am fertigen Produkt wünschenswert.
Die DE 41 23 828 C2 offenbart einen induktiven Näherungsschalter mit einer Stromspiegelschaltung, wobei ein Hysteresetransistor TH mit dem Ausgang des Schwellwertschaltkreises verbunden ist. Er wird in Abhängigkeit vom aktuellen binären Schaltsignal gesteuert, und bei leitend gesteuertem Hysteresetransistor TH wird ein Hysteresewiderstand Rh parallel zu einem im Steuerzweig des Stromspiegeloszillators befindlichen Widerstand Ra geschaltet. Dieser Eingriff in den Steuerzweig der Stromspiegelschaltung ist allerdings nicht zum Abgleich eines Differentialtransformators geeignet.
Die DE 44 29 314 A1 beschreibt einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule und zwei antiparallel geschalteten Empfangsspulen und einem rückgekoppelten Verstärker zur Schwingungserzeugung. Der Näherungsschalter ist für zwei Betriebsarten ausgelegt, wobei in der ersten die Schwingungen bei Annäherung eines FE-Objektes einsetzen und in der zweiten die Schwingungen bei Annäherung eines NF-Objektes abreißen. Ferner ist ein an den Punkt zwischen den beiden Sensorspulen angeschlossener Hysteresewiderstand 27 gezeigt, der bei jedem Wechsel der Betriebsart umgeschaltet werden muss, ohne dass die Sendespule davon beeinflusst wird. Die beiden Sensorspulen sind nicht Bestandteile eines Differentialtransformators, sondern sind den beiden unterschiedlichen Betriebsarten geschuldet.
Die DE 10 2007 014 343 A1 und DE 10 2010 002 201 A1 zeigen induktive Näherungsschalter mit einem Differentialtransformator, wobei der Abgleich an den Empfangsspulen mit Hilfe eines pulsweitemodulierten Signals erfolgt.
Die DE 10 2014 207 482 A1 zeigt einen rückgekoppelten Verstärker in Dreipunktschaltung, wobei der Abgleich auf der Sendeseite des Differentialtransformators erfolgt. Die DE 10 2014 209 243 A1 zeigt den bereits erwähnten Stromspiegeloszillator mit Abgleich auf der Senderseite des Differentialtransformators. Schließlich zeigt die DE 10 2014 222 797 A1 einen hochfrequenztauglichen elektronisch eistellbaren Rheostaten mit einem Bandpassfilter zur Unterdrückung von Oberwellen.
Was bisher fehlt, ist eine durch einen Mikrocontroller steuerbare separate Einstellmöglichkeit für die Hysterese. Eine vom Schaltzustand abhängige Veränderung des PWM-Signals ist hier nicht vorteilhaft, weil das die maximal erreichbare Schaltfrequenz wegen der Umwandlung des Tastverhältnisses in ein analoges Ausganssignal mit Hilfe eines Tiefpasses wegen dessen Zeitkonstante nicht unerheblich absenken würde. Auch zur Änderung der Schaltschwelle wird eine gewisse Zeit benötigt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen, und einen induktiven Näherungsschalter mit einer separaten Einstellmöglichkeit für die Hysterese anzugeben, die mit geringem Aufwand realisierbar ist, ohne jedoch die Schaltfrequenz negativ zu beeinflussen.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den an sich bekannten, mit einem PWM-Signal gesteuerten (Abgleich-)Widerstand zusätzlich, und zwar in Abhängigkeit vom aktuellen Schaltzustand mit einem weiteren Signal zu beaufschlagen, und damit die gewünschte Schalthysterese zu erzeugen. Das kann im einfachsten Fall ein zuschaltbarer Festwiderstand sein, der mit der Basis eines als steuerbarer Widerstand wirkenden Transistors verbunden wird. An Stelle des Festwiderstandes kann die Umschaltung auch mit einem Spannungsteiler oder mittels einer Stromquelle bzw. Stromsenke erfolgen.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung kann es ein digitales Potentiometer sein, womit die Hysterese von einem Bediener an eine bestimmte Applikation oder die Umgebungstemperatur oder einen anderen zu berücksichtigenden Umstand angepasst werden kann.
In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung kann es ein Digital-Analog-Wandler sein, der auch von einer das binäre Schaltsignal erzeugenden Auswerteeinheit gesteuert wird.
Der Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass die Hysterese nun keinen nennenswerten Einfluss mehr auf die Schaltfrequenz hat, weil die übliche Änderung der Schaltschwelle nicht mehr notwendig ist. Gegenüber einer ebenfalls möglichen Anordnung mit zwei parallelen Schaltstufen, die den genannten Nachteil ebenfalls vermeidet, kann eine Schaltstufe eingespart werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt den Stand der Technik mit einem rückgekoppelten Verstärker in Dreipunktschaltung.
2 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung mit einem schaltbaren Festwiderstand.
3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung mit einem digitalen Potentiometer.
4 zeigt eine dritte Ausgestaltung der Erfindung mit einem Digital-Analog-Wandler.
Der in der 1 dargestellte induktive Näherungsschalter zeigt den Stand der Technik. Eine nähere Beschreibung findet man in der oben genannten DE 10 2014 207 482 A1 . Der Näherungsschalter dient zum Nachweis eines elektrisch leitfähigen Auslösers (Target), der magnetisch mit einem Differentialtransformator (1, 2, 3) gekoppelt ist. Die Sensorspule 1 bildet mit einem Kondensator Cs einen Parallelschwingkreis, der durch einen rückgekoppelten Verstärker 4 in bekannter Weise angeregt wird.
Das Signal des Oszillators wird gleichgerichtet und einer Auswerteeinheit 5 zugeführt, hier einem Mikrocontroller µC, die das Oszillatorsignal, in der Regel die Amplitude, auswertet und daraus ein binäres Schaltsignal erzeugt.
Die Sendespule 1 ist über einen Anzapfung mit einem steuerbaren Widerstand 6 verbunden, der die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und damit auch die Kopplung mit dem Target und den beiden Empfangsspulen 2, 3 und so auch den Abstand, bei dem sich der Schaltzustand des Näherungsschalters ändert, (Schaltabstand) beeinflusst. Dessen Steuereingang 7 wird über einen Tiefpass mit einem pulsweitenmoduliertem Signal (PWM) beaufschlagt, wobei der Tiefpass das Tastverhältnis das PWM-Signals in ein Amplitudensignal umwandelt. Die Schalthysterese wird dabei nicht beeinflusst, sondern kann auf herkömmliche Weise zum Beispiel durch eine Absenkung der Schaltschwelle erzeugt werden.
Die 2 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung mit einem schaltbaren Festwiderstand als analoges Einstellelement 8. Sie zeigt den erfindungswesentlichen Ausschnitt des in 1 dargestellten induktiven Näherungsschalters, ohne die Erfindung auf die in der 1 gezeigte Anordnung zu beschränken.
Der Steuereingang 7 (Basis) des als hier Widerstand wirkenden Transistors 6 wird auf bekannte Weise mit Hilfe eines PWM-Signals über einen Tiefpass eingestellt, wobei diese Einstellung nur den Schaltabstand und nicht die Hysterese betrifft. Diese wegen ihres geringen Aufwandes sehr effiziente Einstellmöglichkeit durch ein PWM-Signal ist vorteilhaft für die Einstellung des Schaltabstandes, nicht aber für die Hysterese, weil die vergleichsweise lange Einschwingzeit des Tiefpasses die Schaltfrequenz beeinflussen würde. Deshalb wird die Hysterese erfindungsgemäß vorteilhaft durch einen zusätzlichen Basisstrom durch ein als Spannungsteiler an der Basis des Transistors 6 wirkendes Einstellelement 8, hier ein Festwiderstand eingestellt, was die Schaltfrequenz praktisch nicht beeinflusst. Der mit S bezeichnete elektronische Schalter wird von der Auswerteeinheit 5 gesteuert und mit Änderung des Schaltzustandes geöffnet oder geschlossen und verbindet den Steuereingang 7 abhängig vom aktuellen binären Schaltsignal über das analoge Einstellelement 8 mit einem festen Potential, vorzugsweise mit Masse, wobei die Schalthysterese beeinflusst wird.
Die 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der Erfindung mit einem digitalen Potentiometer, womit die Hysterese vom Bediener an bestimmte Applikationen oder Umgebungstemperaturen oder andere zu berücksichtigenden Umstände angepasst werden kann. Im Übrigen gelten die Ausführungen zu den 1 und 2.
Die 4 zeigt eine dritte Ausgestaltung der Erfindung mit einem Digital-Analog-Wandler, der von der Auswerteinheit 5 eingestellt wird. Hier wird eine Hysterese-Hilfsspannung UH erzeugt, die einen zusätzlichen Basisstrom hervorruft. Sonst gelten auch hier die Ausführungen zu den übrigen Figuren.
In Ergänzung zu den beiden vorherigen Figuren wurde ein Oszillatorverstärker eingefügt, der gemäß 1 oder auf eine andere dem Fachmann bekannte Weise mit der Auswerteeinheit 5 zu verbinden ist. Prinzipiell kommen hier alle Dreipunkt-Oszillatoren in Frage.
Der steuerbare Widerstand 6 kann sowohl bipolare Transistoren beider Leitfähigkeitstypen als auch Feldeffekttransistoren aufweisen. Die schaltungstechnischen Konsequenzen werden auch als bekannt vorausgesetzt.
Es sei angemerkt noch, dass die gezeigten Baugruppen nicht unbedingt gegenständlich als solche vorhanden sein müssen, sondern deren Funktion von einer integrierten Auswerteschaltung 5 übernommen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Sendespule, Schwingkreisspule
2: Erste Empfangsspule
3: Zweite Empfangsspule
4: Elektronische Schaltung zur Schwingungserzeugung, rückgekoppelter Verstärker
5: Auswerteeinheit zur Erzeugung eines binären Schaltsignals
6: Steuerbarer Widerstand zur Beeinflussung des Magnetfeldes der Sendespule 1
7: Steuereingang des steuerbaren Widerstandes 6
8: Analoges Einstellelement mit einem Widerstand (von der Auswerteeinheit 5 gesteuert)
9: Analoges Einstellelement mit einem digitalen Potentiometer
10: Analoges Einstellelement mit einem Digital-Analog-Wandler

Claims

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines metallischen Auslösers in einem Überwachungsbereich mit einem Oszillator, der einen Schwingkreis zur Erzeugung eines hochfrequenten magnetischen Wechselfeldes mit einer Sendespule (1) aufweist, mit zwei Empfangsspulen (2, 3), die mit der Sendespule (1) einen Differentialtransformator bilden, mit einer elektronischen Schaltung (4) zur Schwingungserzeugung und einer Auswerteeinheit (5) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Sendespule (1) eine Anzapfung aufweist, die mit einem steuerbaren Widerstand (6) verbunden ist, der einen mit der Auswerteeinheit (5) verbundenen Steuereingang (7) aufweist, der über einen Tiefpass mit einem pulsweitenmoduliertem Signal gespeist wird, wobei der steuerbaren Widerstand (6) die räumliche Verteilung des Magnetfeldes und den Abstand, bei dem sich der Schaltzustand des Näherungsschalters ändert, beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang (7) in Abhängigkeit vom aktuellen binären Schaltsignal über ein analoges Einstellelement (8) mit einem festen Potential verbunden ist, wobei die Schalthysterese beeinflusst wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Einstellelement (8) einen Festwiderstand aufweist, der von der Auswerteeinheit (5) ein- oder ausgeschaltet wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Einstellelement (8) ein digitales Potentiometer (9) aufweist, das von der Auswerteeinheit (5) eingestellt wird.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das analoge Einstellelement (8) einen Digital-Analog-Wandler (10) aufweist, der von der Auswerteeinheit (5) eingestellt wird.