DE102018127157B3

DE102018127157B3 - Induktiver Näherungsschalter mit gepulster Stromquelle und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102018127157B3
Application number: DE102018127157.3A
Authority: DE
Inventors: Florian Bereuter; Markus Preg; Klaus-Peter Westrup; Joachim Maier
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2038-11-01

Abstract

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines leitfähigen Targets mit einer Sendespule 1 zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes und einer Auswerteschaltung 2 zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei die Sendespule 1 von einer Stromquelle 3 mit ersten Stromimpulsen versorgt wird, und von den Wirbelströmen im einem Target hervorgerufene Echoimpulse nach dem Abklingen des Sendeimpulses in einem ersten Messintervall Δt1 ausgewertet werden. Dabei wird die Sendespule 1 in einem zweiten, darauffolgenden Messintervall mit einem längeren zweiten Stromimpuls versorgt, der zur Messung ihres Kupferwiderstandes Rcu dient. Anhand des Spannungsverlaufes der Kupferwiderstandsmessung kann die Phasenlage benachbarter baugleicher Sensoren (durch deren Störaussendung) erkannt und darauf synchronisiert werden kann.Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben des obigen induktiven Näherungsschalters beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit gepulsten Stromquelle gemäß Patentanspruch 1 und das zugehörige Betriebsverfahren gemäß Anspruch 3. Insbesondere ist sie zur Synchronisation und Störaustastung bei drei nebeneinander angeordneten induktiven Näherungsschaltern geeignet.
Induktive Näherungsschalter werden als berührungslos arbeitende elektronische Schaltgeräte vor allem in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie sind seit langem bekannt und werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
Sie weisen mindestens eine Spule auf und können sowohl mit Stromimpulsen als auch mit kontinuierlichen meist sinusförmigen Wechselstrom betrieben werden, wobei im letzteren Fall die Spule Bestanδτeil eines Oszillators ist und deshalb die Sendefrequenz mitbestimmt. Ausgewertet werden die Änderung der Induktivität und/oder die Impedanz einer Sendespule oder einer Empfangsspule.
Induktive Sensoren sollen gleichermaßen auf Schaltfahnen bzw. Targets mit hoher Leitfähigkeit und geringer Permeabilität, wie Aluminium und Buntmetalle, aber auch auf Targets mit geringerer Leitfähigkeit und hoher Permeabilität, wie Stahl oder Edelstahl, reagieren.
Im ersten Fall wird mindestens eine Sendespule mit einem stark unsymmetrischen Tastverhältnis versorgt (bestromt). Ausgewertet werden die von den Wirbelströmen eines in der Nähe befindlichen leitfähigen Targets in der Sendespule oder einer zusätzlichen Empfangsspule erzeugten Sekundärimpulse.
Die Schaltabstände induktiver Sensoren werden meist für eine Umgebungstemperatur von 23°C angegeben. Die zulässige Umgebungstemperatur kann aber je nach Gerät von -40°C bis -25°C als unterer Grenzwert und von +75°C über +85°C bis +100°C und in manchen Fällen sogar bis +120°C liegen. Wenn der Schaltabstand im zulässigen Temperaturbereich nur um 10% schwanken soll, ist eine Temperaturkompensation unerlässlich.
Da die Wechselwirkung zwischen Sendespule und Target bei wachsendem Anstand sehr schnell (etwa quadratisch) abnimmt, verschärft sich diese Forderung bei großem Schaltabstand im Bereich des doppelten oder dreifachen Sensorspulendurchmessers.
Die DE 36 06 878 A1 zeigt eine Oszillatorschaltung mit einem in unmittelbarer Nähe der Spule angeordneten Temperatursensor. So kann neben dem Temperaturgang des Kupferwiderstands der Oszillatorspule auch der Temperaturgang der übrigen Schaltungskomponenten des Oszillators korrigiert werden. Als nachteilig bzw. problematisch werden der zusätzliche Temperatursensor und die Linearisierung seines Abgleichs über den gesamten Temperaturbereich angesehen.
Die DE 10 2014 202 793 A1 beschreibt einen induktiven Näherungsschalter, bei dem eine sinusförmig bestromte Sensorspule zusätzlich mit einem getakteten Gleichstrom beaufschlagt und ihre Temperatur aus dem über ihrem Kupferwiderstand gemessenen Spannung bestimmt wird. Bei dicht nebeneinander angeordneten Näherungsschaltern kann es schon hier zu Übersprechen und damit zu einer unerwünschten Beeinflussung der Messergebnisse kommen.
Bei im Pulsbetrieb arbeitenden induktiven Näherungsschaltern verschärft sich dieses Problem erheblich, so dass neben der Temperaturmessung auch die Abstandsmessung beeinflusst werden kann.
Deshalb schlägt die DE 10 2011 018 430 A1 die Synchronisation von nebeneinander angeordneten Näherungsschaltern vor, was allerdings eine zentrale Auswerteeinheit erfordert.
Die JP 2001 - 313 557 A beschreibt einen im Pulsbetrieb arbeitenden induktiven Sensor zur Erfassung von parkenden Kraftfahrzeugen. Um die gegenseitige Beeinflussung von nebeneinander angeordneten Sensoren zu vermeiden, wird eine Phasenverschiebung der Sendepulse und damit auch des Messintervalls vorgeschlagen. So wird die zentrale Auswerteeinheit zur Synchronisation unnötig. Zum Temperaturgang werden allerdings keine Angaben gemacht
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die o. g. Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden, und einen im Pulsbetrieb arbeitenden induktiven Näherungsschalter anzugeben, der in der Nähe von gleichartigen betrieben werden kann, ohne dass eine zentrale Auswerteeinheit zur Synchronisation erforderlich ist.
Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben eines induktiven Näherungsschalters angegeben werden, das die Korrektur seines Temperaurgangs unter den genannten Umständen erlaubt.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst. Der nebengeordnete Patentanspruch 3 betrifft das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass elektromagnetische Störimpulse bei induktiven Näherungsschaltern als wellenförmige Spannungsverläufe nachweisbar sind.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht nun darin, dass eine Störquelle anhand des Spannungsverlaufes bei der Kupferwiderstandsmessung detektiert werden kann, wobei Resonanzeigenschaften (Eigenfrequenz) der Sensorspule(n) ausgenutzt werden.
Das geschieht, wenn die Sendespule mit einem auf den eigentlichen Messimpuls folgenden länger andauernden zweiten Stromimpuls versorgt wird, wobei die Spannung über dem Kupferwiderstand der Sendespule während eines vorgegebenen Zeitintervalls mehrfach gemessen wird.
Erfindungsgemäß werden drei Messungen durchgeführt, wobei die erste und die zweite zur Störerkennung dienen. So kann eine Störung erkannt, und durch Synchronisation, d. h. zeitliche Verschiebung vor der Messung eines Referenzwertes (dritte Messung) ausgeblendet werden, so dass die dritte Messung in einem störungsfreien Zeitintervall erfolgt, wobei die diese sowohl zur Temperaturkompensation herangezogen wird, als auch als Referenzwert zur weiteren (späteren) Störerkennung dient. Dabei können die Stabilität und die Aussagekraft des Referenzwertes durch eine „tiefe“ Mittelung von beispielsweise 3 x 64 Messungen verbessert werden.
Die Zeitspanne zwischen den eben genannten Messungen 1 bis 3 sollte etwa mit dem reziproken Wert der Eigenfrequenz der Sensorspule übereinstimmen.
Im einfachsten Fall dient die Sendespule auch als Sensorspule. Bei Vorhandensein einer zweiten (Empfangs-) Spule ist der reziproken Wert der Eigenfrequenz des analog zu betrachtenden Sende-Empfangsspulensystems zu berücksichtigen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der zeitliche Verlauf der Spannung über der Sendespule während des länger andauernden zweiten Stromimpulses analysiert, um so die Frequenz und die Phasenlage einer Störquelle zu ermitteln, und das Zeitregime der Abstandsmessung insoweit darauf einzustellen, dass nur die während störungsarmer Zeiten gemessene Werte weiterverarbeitet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird auch die zur Abstandmessung benötigte Stromquelle nur in störungsfreien (störungsarmen) Zeitintervallen aktiviert.
Die Korrektur des Temperaturganges erfolgt in bekannter Weise durch Veränderung der Sensorempfindlichkeit durch Änderung von Verstärkungsfaktoren, Beeinflussung der Schaltschwelle und /oder durch Korrektur des Schaltabstands selbst anhand einer im Gerät abgelegten Wertetabelle, wobei natürlich auch die Hysterese des Schaltabstands zu berücksichtigen ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen des induktiven Näherungsschalters.
Die 2 zeigt ein typisches Impulsdiagramm.

1 zeigt eine Sendespule 1, die nacheinander von einer ersten Stromquelle 3 mit dem Sendestrom und nach Messung der Impulsantwort von einer zweiten Stromquelle 4 mit einem Messstrom zur Bestimmung des mit Rcu bezeichneten Kupferwidertandes 5 versorgt wird.
Eine Steuer- und Auswerteschaltung 2 weist einem mit µC bezeichneten Mikrocontroller µC, einen Verstärker 6 mit einem Offsetpotentiometer 7, einem Messwiderstand 8 und Schutzdioden, sowie Spannungsregler für 5 Volt bzw. 3,3 Volt auf.
Die Funktion der Bauelemente ist für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich, so dass auf deren weitere Erläuterung verzichtet werden kann.
Zur Messung des Kupferwiderstandes 5 und damit der Temperatur der Sendespule 1 wird diese in den Sendepausen mit einem getakteten Gleichstrom von wenigen mA und einer Impulsdauer von etwa 450µs versorgt. Die Spanungsmessung erfolgt über dem Messwiderstand 8, weil über dem durchgeschalteten Transistor 4 keine sinnvolle Messung möglich wäre.
An den Zuleitungen zu den beiden Stromquellen 3 und 4 sind die Impulsdiagramme für den Sendestrom (Puls) und für den Temperaturmessstrom (Temp.-Mess) dargestellt.
2 zeigt ein typisches Impulsdiagramm für den oben gezeigten Näherungsschalter.
Oben ist der Verlauf des Spulenstroms dargestellt. Der Sendepuls im vorderen, mit Δt1 bezeichneten Abschnitt stammt von der ersten Stromquelle 3 und beträgt 30-100mA.
Der Messstrom im hinteren, mit Δt2 bezeichneten Abschnitt stammt von der zweiten Stromquelle 4. Er beträgt hier etwa 1mA und ist deshalb in einem anderen Maßstab dargestellt als der Messstrom.
Unten ist der zeitliche Verlauf der beiden Pulsströme noch einmal separat dargestellt Die Abstandsmessung erfolgt in bekannter Weise anhand eines hier nicht dargestellten Echosignals auf der abfallenden Flanke des Sendepulses zu einem Zeitpunkt tx.
Ein Störimpuls ist als gestrichelte Linie dargestellt. Wie man leicht sieht, liefern die Messungen zu den Zeitpunkten t1 und t2 unterschiedliche Ergebnisse, was auf eine Störung schließen lässt. Erfindungsgemäß wird nur der zum Zeitpunkt t3 gemessene Wert verarbeitet.
Durch Phasenverschiebung um Δt und/oder Abstimmung der Wiederholfrequenz wird versucht, alle drei Messwerte in Übereinstimmung zu bringen, was insbesondere bei drei oder mehr nebeneinander angeordneten Näherungsschaltern von Vorteil ist, denn so gelingt deren Synchronisation ohne eine Zentraleinheit.
Unter Umständen kann die Phasenverschiebung um Δt kann auch während eines der beiden Messintervalle Δt1 oder Δt2 erfolgen.
Anhand des Spannungsverlaufes der Kupferwiderstandsmessung kann die Phasenlage benachbarter baugleicher Näherungsschalter (durch deren Störaussendung) erkannt und darauf synchronisiert werden kann, so dass die Temperaturmessung und auch die Abstandsmessung außerhalb von deren Sendezeiten erfolgen kann.
Vorteilhafterweise findet die Synchronisation unmittelbar nach dem Einschalten der Betriebsspannung (power up) statt, solange der Schaltausgang noch gesperrt ist.
Bezugszeichenliste

1: Sendespule
2: Steuer- und Auswerteschaltung zur Erzeugung eines binären Schaltsignals
3: Erste gepulste Stromquelle (zur Abstandsmessung)
4: Zweite gepulste Stromquelle (zur Widerstands- und Temperaturmessung)
5: Kupferwiderstand Rcu der Sendespule 1
6: Verstärker
7: Offsetpotentiometer
8: Messwiderstand
Δt: Zeit- bzw. Phasenverschiebung zur Synchronisation und Störausblendung
Δt1: Erstes Messintervall (für die Abstandsmessung)
Δt2: Zweites Messintervall (für die Temperaturmessung)
µC: Mikrocontroller, Signalprozessor oder ASIC
tx: Messzeitpunkt für die Abstandsmessung
S: Schaltausgang
Ub: Betriebsspannung

Claims

Induktiver Näherungsschalter zum Nachweis eines leitfähigen Targets, der eine Sendespule (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes und eine Auswerteschaltung (2) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals aufweist, wobei die Sendespule (1) von einer Stromquelle (3) mit Sendeimpulsen versorgt wird und von den Wirbelströmen in einem Target hervorgerufene Echoimpulse nach dem Abklingen des Sendeimpulses in einem ersten Messintervall (Δt1) ausgewertet werden, wobei die Sendespule (1) in einem zweiten darauf folgenden Messintervall (Δt2) mit einem länger andauernden zweiten Stromimpuls versorgt wird, der zur Messung ihres Kupferwiderstandes (5) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungsschalter ausgebildet ist, drei Messungen des Kupferwiderstandes durchzuführen, wobei die erste und zweite Messung einer Störerkennung dienen, wobei eine Störung durch eine zeitliche Verschiebung (Δt) ausgeblendet wird, und eine dritte Messung in einem störungsarmen Zeitintervall erfolgt, wobei die dritte Messung zur Temperaturkompensation herangezogen wird und auch als Referenzwert zur weiteren Störerkennung dient.
Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Zeitspanne zwischen der ersten und zweiten, sowie der zweiten und dritten Messung etwa mit dem reziproken Wert der Eigenfrequenz der Sendespule (1) oder eines analog zu betrachtenden Sende-Empfangsspulensystems übereinstimmt.
Verfahren zum Betreiben eines induktiven Näherungsschalters nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Spannung (U_Rcu) über dem Kupferwiderstand (5) analysiert wird, um Frequenz und Phasenlage von Störungen zu ermitteln, um das Zeitregime der Temperaturmessung zu optimieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Stromquelle (3) nur in störungsarmen Zeitintervallen aktiviert wird.