DE102018211029A1 - Verfahren und Sensor zur Erkennung einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes mit extrem geringem Stromverbrauch - Google Patents

Verfahren und Sensor zur Erkennung einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes mit extrem geringem Stromverbrauch Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor (1), induktiven Näherungsschalter sowie einen manuell betätigbaren Schalter mit einem elektrisch entkoppelten Schaltelement, die jeweils mit Stromverbräuchen kleiner als 200 nA (3V) betrieben werden können.Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes (2) an einer Sensorspule (3), mit periodisch wiederkehrendem Erzeugen einer von der Bewegung abhängigen elektrischen Schwingung in der Sensorspule (3), Vorgeben einer Bedingung für die Schwingung und Erkennen der Bewegung falls die Bedingung erfüllt ist.Um ein möglichst energiesparendes und gegen Störeinflüsse robustes Erkennen der Bewegung zu ermöglichen, erfolgen ein periodisch wiederkehrendes Erzeugen einer abklingenden Erregerschwingung (11) mittels eines separaten Schwingungsgenerators (13) und ein Versetzen eines die Sensorspule (3) aufweisenden Messschwingkreises (15) in Resonanz mit der Erregerschwingung (11) und dadurch ein Erzeugen der Schwingung als aufklingende und anschließend wieder abklingende Messschwingung (7).

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes an einer Sensorspule, mit periodisch wiederkehrendem Erzeugen einer von der Bewegung abhängigen elektrischen Messschwingung in der Sensorspule, vorgeben einer Bedingung für die Messschwingung und Erkennen der Bewegung falls die Bedingung erfüllt ist, einen induktiven Sensor zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes an einer Sensorspule, mit einem die Sensorspule aufweisenden Messschwingkreis in dem eine Messschwingung erzeugbar ist und einer Auswerteschaltung zum Erkennen der Bewegung, falls die Messschwingung eine vorgegebene oder vorgebbare Bedingung erfüllt sowie einen verfahrens- und/oder vorrichtungsgemäßen Näherungsschalter und Mensch-Maschine-Schnittstelle.
  • Stand der Technik
  • Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes an einer Sensorspule ist bekannt. Dazu kann die Sensorspule mit einer Wechselspannung bestromt werden, wobei der metallische Gegenstand mit der bestromten Spule in eine Wechselwirkung tritt, die in Form einer Änderung eines Stromflusses in der Sensorspule erkennbar ist. Zum Erzeugen der Messschwingung kann die Sensorspule Teil eines Messschwingkreises, also einer Kapazität parallel geschaltet sein. Zum Erzeugen der Messschwingung ist es bekannt, in dem Messschwingkreis ein elektrisches Schaltelement vorzusehen, das periodisch geöffnet und geschlossen wird. Dadurch entsteht in dem Messschwingkreis jeweils eine abklingende Schwingung. Diese Schwingung wird durch die Wechselwirkung beeinflusst, beispielsweise durch Bedämpfen der Spule mittels des metallischen Gegenstands. Aus der DE 60 2004 010 486 T2 ist ein induktiver Näherungssensor bekannt. Dieser weist eine Induktionsspule, einen Kondensator, Mittel zum mehrmaligen Zuführen von Strom an die Spule sowie Mittel zum Verarbeiten von Signalen der Induktionsspule auf. Die Mittel zum mehrmaligen Zuführen von Strom bestehen im Wesentlichen aus dem Kondensator, wobei eine den Kondensator und die Induktionsspule aufweisende LC-Schaltung mehrmalig zwischen zwei Zuständen geschaltet werden kann, nämlich einem ersten Zustand, in welchem die Induktionsspule von der Kapazität getrennt ist und die Kapazität geladen ist und einem zweiten Zustand, in welchem die Induktionsspule mit der Kapazität verbunden ist und die Kapazität durch die Induktionsspule entlädt, wobei die LC-Schaltung, wenn sie in dem zweiten Zustand ist, bis zu der darauffolgenden Änderung des Zustandes frei oszillieren kann, und die effektiven Schaltungsparameter und somit das Oszillieren des Spannungssignals durch ein zu erkennendes Objekt, oder mehrere Objekte und/oder einen Körper, die innerhalb eines Detektionsbereichs angeordnet sind, modifiziert werden. Es erfolgt eine Messung einer Spannungsoszillationsamplitude an einem bestimmten, vorab definierten Punkt des Spannungssignals nach jedem Schalten von dem ersten in den zweiten Zustand, wobei ein Messergebnis in Verbindung mit Referenzmessungen berechnet wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative und sehr energieeffiziente Möglichkeit zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes an einer Sensorspule zu schaffen, die eine besonders einfache und/oder störungssichere Auswertung von Ausgangssignalen der Sensorspule ermöglicht.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch periodisch wiederkehrendes Erzeugen einer abklingenden Erregerschwingung mittels eines separaten Schwingungsgenerators, Versetzen eines die Sensorspule aufweisenden Messschwingkreises in Resonanz mit der Erregerschwingung und dadurch Erzeugen der Schwingung als aufklingende und anschließend wieder abklingende Messschwingung gelöst. Mittels der Messschwingung kann die Wechselwirkung des metallischen Gegenstands mit der Sensorspule ermittelt und ausgewertet werden. Die Erregerschwingung kann sehr energieeffizient erzeugt werden und benötigt während des Abklingens keine elektrische Energiezufuhr. Die Messschwingung kann durch eine Resonanz mit der Erregerschwingung erzeugt werden und benötigt daher auch keine zusätzliche Energiezufuhr. Dadurch sind Stromverbräuche für ein gesamtes Messsystem kleiner als 200 nA (3V) möglich. Außerdem weist die Messschwingung durch das Aufklingen und Abklingen einen charakteristischen Signalverlauf auf, der sehr leicht ausgewertet werden kann, beispielsweise immer zwischen Aufklingen und Abklingen, wenn ein Signalmaximum der Messschwingung auftritt. Das Signalmaximum hängt im Vergleich zu einer lediglich abklingenden Messschwingung stärker von der Wechselwirkung mit dem metallischen Gegenstand ab und ermöglicht daher ein präziseres und von Störungseinflüssen unabhängigeres Erkennen des metallischen Gegenstands.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt ein periodisch wiederkehrendes Bereitstellen eines ersten Amplitudenwertes und eines zweiten Amplitudenwerts der Messschwingung. Der erste Amplitudenwert tritt zu einem ersten Taktdurchgang und der zweite Amplitudenwert zu einem späteren zweiten Taktdurchgang auf. Unter einem Taktdurchgang kann der Ablauf eines Taktimpulses und der darauffolgenden Taktpause beziehungsweise eine Taktperiode verstanden werden. Anhand der Amplitudenwerte erfolgt das Prüfen, ob die Bedingung erfüllt ist. Zum Prüfen der Bedingung werden also lediglich zwei zeitlich nacheinander auftretende Amplitudenwerte der Messschwingung benötigt. Bevorzugt erfolgt dies periodisch wiederkehrend. Der Messschwingkreis kann mittels der Erregerschwingung periodisch bestromt und nicht bestromt werden. Für ein Differential über den periodisch auftretenden Amplitudenwerten beziehungsweise einen Anstieg oder eine Erniedrigung kann als die Bedingung eine Schwelle vorgegeben werden. Falls die Schwelle erfüllt beziehungsweise unter- oder überschritten ist, kann auf die Bewegung des metallischen Gegenstandes geschlossen werden. Zum Erkennen der Bewegung ist es also lediglich erforderlich, über einen Takt bzw. die Periodendauer der wiederkehrend erzeugten Messschwingung ein Anstieg oder ein Abfallen der Amplitudenwerte zu ermitteln, vorzugsweise unter Anpassung des Schwellwerts durch den ersten Amplitudenwert. Die Amplitudenwerte des jeweils vorausgehenden Taktdurchgangs können gespeichert und mit dem Amplitudenwert des aktuellen Taktdurchgangs verglichen oder voneinander abgezogen werden. Anhand eines Überschreitens oder Unterschreitens der Schwelle kann ermittelt werden, ob sich zwischen zwei Taktdurchgängen eine Position des metallischen Gegenstandes geändert hat oder nicht. Es werden also Änderungen der Position erfasst. Vorzugsweise je nach Auslegung nur ein Entfernen, nur eine Annäherung des metallischen Gegenstandes oder beides. Ein Verbleiben in einer Position führt nicht zum Unter- oder Überschreiten der Schwelle. Der Begriff Erkennen einer Bewegung ist weit auszulegen, insbesondere kann darunter verstanden werden, ob eine Distanz zwischen Gegenstand und Spule statisch ist, sich vergrößert oder verkleinert, ob der Gegenstand an die Spule hinbewegt und/oder dort anwesend ist oder von dieser wegbewegt und/oder dort nicht anwesend ist. Alternativ oder zusätzlich sind auch andere Auswertungen möglich, beispielsweise mittels fest vorgegebenen oder dynamisch nachgeregelten Schwellen für einen Absolutwert der Amplitude. Die Amplitudenwerte werden bevorzugt als jeweils maximale Amplitudenwerte ermittelt. Also zwischen Aufklingen und Abklingen der jeweiligen Messschwingung, beispielsweise wenn ein Signalmaximum der jeweiligen Messschwingung auftritt. Für eine weitere Ausführungsform des Verfahrens ist es denkbar, im ersten Taktdurchgang einen Speicherwert eines Maximalwertspeichers auf den ersten Amplitudenwert zu erhöhen und die Bewegung dann zu erkennen, falls im zweiten Taktdurchgang der zweite Amplitudenwert den Speicherwert des Maximalwertspeichers um eine Schwelle überschreitet oder unterschreitet. Zum Abprüfen der Bedingung muss also lediglich ermittelt werden, ob sich der Amplitudenwert zwischen dem ersten Taktdurchgang und dem zweiten Taktdurchgang um einen vorgegebenen Wert, Anteil und/oder Prozentsatz erhöht oder erniedrigt hat.
  • Außerdem ist es möglich, den Speicherwert des Maximalwertspeichers zwischen dem ersten Taktdurchgang und dem zweiten Taktdurchgang zu reduzieren. Dadurch kann pro Taktdurchgang eine neue Messung zum Erkennen der Bewegung erfolgen. Außerdem erfolgt bevorzugt ein zeitliches Verzögern des Speicherwerts mittels eines Zeitverzögerungsglieds zum Prüfen der Bedingung. Der verzögerte Speicherwert kann mit einem aktuellen auftretenden Wert verglichen werden. Bevorzugt entspricht der verzögerte Speicherwert dem ersten Amplitudenwert des ersten Taktdurchgangs oder hängt zumindest von diesem ab und kann zum Prüfen der Bedingung mit dem aktuellen zweiten Amplitudenwert des zweiten Taktdurchgangs verglichen werden. Das Zeitverzögerungsglied kann zum Bilden eines gleitenden Mittelwerts, integrieren oder als Tiefpass ausgebildet sein.
  • Das Verfahren kann außerdem mit Versetzen eines eine weitere Sensorspule aufweisenden weiteren Messschwingkreises in Resonanz mit der Erregerschwingung zum Erzeugen einer weiteren Messschwingung und Bilden eines Differenzsignals eines Ausgangssignals des Messschwingkreises und eines weiteren Ausgangssignals des weiteren Messschwingkreises zum Prüfen der Bedingung ob der metallische Gegenstand angenähert ist oder nicht durchgeführt werden. Zum Prüfen der Bedingung steht also eine Differenz der zwei Ausgangssignale von zwei Messschwingkreisen zur Verfügung. Die Sensorspulen sind vorzugsweise so zueinander angeordnet, dass bei einer Annäherung und/oder Bewegung des metallischen Gegenstands im Wesentlichen nur eine davon beeinflusst wird. Dadurch entsteht bei Annäherung und/oder Bewegung des metallischen Gegenstands das Differenzsignal. Da beide Messschwingkreise mit derselben Erregerschwingung erregt werden, schwingen diese im Wesentlichen synchron, klingen also im Wesentlichen synchron auf und wieder ab. Dadurch können etwaige auf die Sensorspulen einwirkende Störungen durch das Bilden des Differenzsignals zumindest im Wesentlichen herausgerechnet werden. Es ergibt sich ein gegenüber Störeinflüssen besonders robuster induktiver Sensor.
  • Störeinflüsse wirken grundsätzlich auf beide Kanäle, also die Sensorspule und die weitere Sensorspule, je nach Anordnung der Sensorspulen relativ zu einer Störquelle gegebenenfalls jedoch unterschiedlich stark beziehungsweise asymmetrisch. Dies führt zu einer Restdifferenz im Differenzsignal, die in einem ersten Zeitfenster ohne Messung ermittelt werden kann und in einem zweiten Zeitfenster mit Messung vom Differenzsignal abgezogen werden kann. Dadurch bleibt die metallische Änderung übrig.
  • Das Differenzsignal kann dazu aufeinanderfolgend in den zwei Zeitfenstern bereitgestellt werden. Im ersten Zeitfenster ohne Bestromen der Messschwingkreise mittels der Erregerschwingung und wechselweise dazu im zweiten Zeitfenster in Resonanz mit der Erregerschwingung. Daraus können zwei Amplitudenwerte gewonnen werden. Beide Amplitudenwerte weisen ein etwaiges aufaddiertes Störsignal auf, im ersten Zeitfenster ohne Messung und im zweiten Zeitfenster mit Messung, also etwaiger Beeinflussung durch den metallischen Gegenstand. Durch das Bilden einer weiteren Differenz des Amplitudenwertes mit der Messung minus des Amplitudenwertes ohne Messung kann dieses noch verbleibende Störsignal auch noch herausgerechnet werden. Zum Erkennen des metallischen Gegenstandes kann diese gebildete weitere Differenz mit einer Differenzschwelle verglichen werden. Die weitere Differenz kann mittels eines Maximalwertspeichers gebildet werden, in dem der Amplitudenwert des ersten früheren Zeitfensters zwischengespeichert werden kann. Es erfolgt also eine doppelte Differenzbildung, nämlich zunächst der zwei Ausganssignale der zwei Messschwingkreise zum Erzeugen des Differenzsignals und dann zeitlich versetzt in den zwei Zeitfenstern mit und ohne Messung zum Erzeugen der weiteren Differenz.
  • Erst wenn die weitere Differenz die Differenzschwelle überschreitet, wird die Bewegung erkannt. Dadurch können etwaige auf die zwei Sensorspulen konstant einwirkende Störeinflüsse vollständig herausgerechnet werden.
  • Die Aufgabe ist außerdem durch einen induktiven Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 8 durch einen separaten und dem Messschwingkreis vorgeschalteten Schwingungsgenerator zum Erzeugen einer periodisch wiederkehrenden Erregerschwingung gelöst, wobei der Messschwingkreis zum Erzeugen der Messschwingung in Resonanz mit der Erregerschwingung bringbar ist. Die Erregerschwingung kann eine abklingende Schwingung aufweisen. Insbesondere kann der Schwingungsgenerator einen Erregerschwingkreis aufweisen, der durch Bestromen und beenden des Bestromens in eine abklingende Schwingung versetzbar ist. Der Erregerschwingkreis kann also beim Erzeugen der Erregerschwingung sich selbst überlassen werden und verbraucht dabei keine weitere elektrische Energie. Während der Messschwingkreis in Resonanz ist, erfolgt die eigentliche Messung, also das Erkennen der gegebenenfalls erfolgten Bewegung des metallischen Gegenstandes. Der induktive Sensor ist insbesondere eingerichtet, ausgelegt, programmiert und/oder konstruiert zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der induktive Sensor einen Vergleicher zum Ermitteln einer Differenz zwischen einem ersten Amplitudenwert der Messschwingung eines ersten Taktdurchgangs und einem zweiten Amplitudenwert der Messschwingung eines zweiten Taktdurchgangs auf, wobei die Bewegung in Abhängigkeit der Differenz erkennbar ist. Bei der Differenz kann es sich bevorzugt um ein diskretes Differential über einer zwischen dem ersten Taktdurchgang und dem zweiten Taktdurchgang liegenden Zeitspanne handeln. Zum Erkennen der Bewegung genügt also lediglich das Bilden des diskreten Differentials. Dieses kann dazu gegebenenfalls mit einer entsprechenden Schwelle verglichen werden. Der Amplitudenwert des ersten Taktdurchgangs kann in einem Speicher, beispielsweise in einem Maximalwertspeicher bis zum zweiten Taktdurchgang zwischengespeichert werden.
  • Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des induktiven Sensors ist es denkbar, dass dem Schwingungsgenerator neben dem Messschwingkreis ein eine weitere Sensorspule aufweisender Messschwingkreis nachgeschaltet ist, wobei den Messschwingkreisen ein Differenzverstärker zum Erzeugen eines Differenzsignals der Messschwingkreise nachgeschaltet ist. Anhand des Differenzsignals kann die Bewegung erkannt werden. Außerdem können mittels des Differenzverstärkers etwaige auf die Sensorspulen gleich einwirkende Störeinflüsse bestmöglich herausgerechnet werden.
  • Die Aufgabe ist außerdem durch einen induktiven Näherungsschalter zum Schalten in Abhängigkeit einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes an einer Sensorspule gelöst. Der Näherungsschalter weist einen vorab beschriebenen induktiven Sensor auf und/oder ist zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens eingerichtet, ausgelegt, programmiert und/oder konstruiert. Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
  • Die Aufgabe ist schließlich durch eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einem metallischen zwischen zwei Positionen verlagerbaren Schaltelement gelöst. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle weist einen vorab beschriebenen induktiven Sensor zum Erkennen des Schaltelements auf und/oder ist zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens eingerichtet, ausgelegt, programmiert und/oder konstruiert. Das Schaltelement ist elektrisch entkoppelt und muss keine magnetischen Eigenschaften aufweisen. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle kann dadurch in explosionsgeschützten Umgebungen sowie für abgedichtete Geräte eingesetzt werden. Magnetisierbare Partikel werden nicht angezogen. Im Übrigen ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein Blockschaltbild eines induktiven Sensors mit einem Erregerschwingkreis und einem Messschwingkreis;
    • 2 Signalverläufe einer Erregerschwingung sowie einer Messschwingung zu einem ersten Taktdurchgang und einem zweiten Taktdurchgang des in 1 gezeigten induktiven Sensors;
    • 3 unterschiedliche Zeitverläufe verschiedener Übertragungs- und Speicherglieder des in 1 gezeigten induktiven Sensors mit Annäherung eines metallischen Gegenstandes;
    • 4 die in 3 gezeigten Signalverläufe, wobei der metallische Gegenstand angenähert, entfernt und wieder angenähert ist;
    • 5 ein Blockschaltbild eines weiteren induktiven Sensors mit einem Erregerschwingkreis und zwei Messschwingkreisen;
    • 6 eine schematische Detailansicht eines Maximalwertspeichers des in 5 gezeigten induktiven Sensors;
    • 7 Signalverläufe einer Erregerschwingung sowie eines Differenzsignals in unterschiedlichen Zeitfenstern mit und ohne Bewegung des metallischen Gegenstandes und;
    • 8 drei schematisierte dargestellte Varianten einer Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einem durch die 1 bis 7 beschriebenen induktiven Sensor.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
  • Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
  • 1 zeigt ein schematisiertes Schaltbild eines induktiven Sensors 1 zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes 2 an eine Sensorspule 3. Die Sensorspule 3 ist einem Resonanzkondensator 53 parallelgeschaltet und bildet mit diesem zusammen einen Messschwingkreis 15.
  • Dem Messschwingkreis 15 ist eine Impedanz, beispielsweise ein Widerstand 55 sowie ein Kondensator 57 vorgeschaltet. Über den Widerstand 55 sowie den Kondensator 57 kann der Messschwingkreis 15 periodisch wiederkehrend mit einer Erregerschwingung 11 bestromt werden.
  • Die Erregerschwingung 11 wird mittels eines separaten Schwingungsgenerators 13 erzeugt. Der Schwingungsgenerator 13 weist dazu einen Erregerschwingkreis mit einer Spule 59 sowie einem Kondensator 61 auf. Der Schwingungsgenerator 13 weist außerdem einen Taktgeber 63 auf. Mittels des Taktgebers 63 ist Takt 65 erzeugbar. Der Takt 65 hat beispielsweise eine Taktlänge von einer Mikrosekunde bei einer Frequenz von 10 Hertz. Diese Werte können beliebig gewählt werden. Wenn zum Beispiel für einen industriellen Annäherungssensor eine schnellstmögliche Erkennung des metallischen Gegenstandes 2 erforderlich ist, kann nach dem Abklingen der Erregerschwingung 11 sofort die nächste gestartet werden. Der in 1 gezeigte induktive Sensor 1 wird mittels des Taktes 65 bestromt und ist in dessen Taktpausen im Wesentlichen stromlos. Taktgeneratoren zum Erzeugen des Taktes 65 mit weniger als 30 nA Stromverbrauch (3V) sind im Markt bekannt, sodass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. Dadurch kann ein sehr energieeffizienter induktiver Sensor bereitgestellt werden.
  • Der Takt 65 steuert ein elektrisches Schaltelement 67, das der Spule 59 und dem Kondensator 61, also dem Schwingkreis des Schwingungsgenerators 13 nachgeschaltet ist. Das elektrische Schaltelement 67 kann beispielsweise einen Feldeffekttransistor aufweisen. Der Taktgeber 63 kann von einer, in 1 nicht näher dargestellten elektrischen Energiequelle, beispielsweise einer Batterie und/oder Solarzelle energieautark mit elektrischer Energie versorgt werden.
  • Während des Taktes 65 ist das elektrische Schaltelement 67 durchgeschaltet und in Folge dessen der Erregerschwingkreis des Schwingungsgenerators 13 mit einer Gleichspannung bestromt. Dadurch baut sich ein magnetisches Feld in der Spule 59 auf. Während den Taktpausen öffnet das elektrische Schaltelement 67 und der Erregerschwingkreis des Schwingungsgenerators 13 gerät in eine abklingende Schwingung, die Erregerschwingung 11. In den Taktpausen des Taktes 65 wird also der Messschwingkreis 15 mit der abklingenden Erregerschwingung 11 bestromt. Dadurch gerät dieser in Resonanz mit der Erregerschwingung 11, was in dem Messschwingkreis 15 eine ansteigende und wieder abklingende Messschwingung 7 bewirkt.
  • Die Messschwingung 7 ist über die Sensorspule 3 von der Bewegung des metallischen Gegenstandes 2 abhängig, beispielsweise einer Annäherung oder einem Entfernen. Zum Erkennen der Bewegung des metallischen Gegenstandes 2 bzw. zum Auswerten der Messschwingung 7 ist dem Messschwingkreis 15 ein Maximalwertspeicher 27 nachgeschaltet. Außerdem ist dem Messschwingkreis 15 eine Vorgabebrücke beziehungsweise Spannungsteiler mit einem ersten Vorgabewiderstand 69 und einem zweiten Vorgabewiderstand 71 nachgeschaltet.
  • Dem Maximalwertspeicher 27 ist ein Zeitverzögerungsglied 73 nachgeschaltet. Das Zeitverzögerungsglied 73 verzögert den an einem Ausgang des Maximalwertspeichers 27 anliegenden Wert vorzugsweise um eine Periodenlänge des Taktes 65. Alternativ erfolgt die Verzögerung mittels eines integrierenden Filters. In einer einfachen Ausgestaltung weist das Zeitverzögerungsglied 73 einen Tiefpass auf.
  • Ein Vorgabeausgang 75 der Vorgabebrücke mit dem ersten Vorgabewiderstand 69 und dem zweiten Vorgabewiderstand 71 sowie ein Ausgang des Zeitverzögerungsglieds 73 sind einem Vergleicher 77 vorgeschaltet. An dem Vergleicher 77 liegt damit ein um einen Takt verzögerter erster Amplitudenwert 17 eines ersten Taktdurchgangs sowie ein zweiter Amplitudenwert 21 eines um einen Takt späteren zweiten Taktdurchgangs an. Der erste Amplitudenwert 17 wird mittels des Vergleichers 77 mit dem zweiten Amplitudenwert 21 verglichen. Außerdem wird mittels der Vorgabebrücke beziehungsweise dem Spannungsteiler der zweite Amplitudenwert 21 um eine Schwelle 29 erniedrigt, bevor dieser auf den Vergleicher 77 wirkt.
  • Der Maximalwertspeicher 27, das Zeitverzögerungsglied 73 sowie der Vergleicher 77 können ein Differenzierglied bilden, das die Messschwingung über eine Periodendauer des Taktes 65 differenziert. Der Vergleicher 77 erzeugt ein Setzsignal 79, falls der Vorgabeausgang 75 größer ist als der zeitlich verzögerte erste Amplitudenwert 17, der am Ausgang des Zeitverzögerungsgliedes 73 anliegt. Das grundsätzlich mittels des Vergleichers 77, dem Zeitverzögerungsglied 73 sowie dem Maximalwertspeicher 27 gebildete Differential wird also über die Vorgabebrücke der Vorgabewiderstände 69 und 71 mit der Schwelle 29 verglichen, wobei der Vergleicher 77 dann das positive Setzsignal 79 erzeugt, wenn das Differenzial der Messschwingung 7 die Schwelle 29 überschreitet. Dies kann gegeben sein, wenn der metallische Gegenstand 2 von der Sensorspule 3 entfernt wird und somit keine Dämpfung des Signals in der Sensorspule 3 mehr bewirkt.
  • Dem Vergleicher 77 ist ein Flipflopelement 81 nachgeschaltet, genauer ein Setzeingang zum Setzen des Flipflopelements 81. Außerdem ist ein Rücksetzeingang des Flipflopelements 81 dem Taktgeber 63 nachgeschaltet. Bei jedem Takt 65, also dann, wenn der Schwingungsgenerator 13 bestromt wird, wird das Flipflopelement 81 zurückgesetzt. Dadurch ist sichergestellt, dass zum Taktdurchgang des Trennens des Erregerschwingkreises von der nicht näher dargestellten elektrischen Energiequelle, also dann, wenn die Erregerschwingung 11 beginnt, dass Flipflopelement 81 zurückgesetzt ist. Falls mittels des Vergleichers 77, wie vorab beschrieben, das Entfernen des metallischen Gegenstandes 2 erkannt wird und dieser das Setzsignal 79 erzeugt, wird das Flipflopelement 81 gesetzt. Dem Flipflopelement 81 kann ein Tiefpass 83 nachgeschaltet sein, damit die kurzen Zeiten nach dem Rücksetzen durch den Takt 65 und erneutem Setzen durch das Setzsignal 79 überbrückt werden.
  • Ein Ausgangssignal des Tiefpasses 83 liegt also dann an, wenn das Entfernen des metallischen Gegenstandes 2 erkannt wurde. Dieses kann zum Schalten und/oder Steuern eines nicht näher dargestellten elektrischen Schaltelements abhängig von der Bewegung, also der Annäherung oder dem Entfernen des metallischen Gegenstandes 2 verwendet werden. Je nach Auslegung der Schwellwerte und/oder von Resonanzfrequenzen des Messschwingkreises 15 und/oder des Schwingungsgenerators 13 kann die Annäherung oder das Entfernen des metallischen Gegenstandes 2 erkannt werden.
  • Der Maximalwertspeicher 27 ist ebenfalls dem Taktgeber 63 nachgeschaltet. In jedem einzelnen Takt 65 wird der Maximalwertspeicher 27 dadurch ganz oder zumindest teilweise um einen Wert reduziert.
  • Alternativ ist es möglich, auf den Maximalwertspeicher 27, die Vorgabewiderstände 69 und 71 sowie das Zeitverzögerungsglied 73 zu verzichten und stattdessen einen festen Schwellwert vorzusehen, also lediglich den fest vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwert zu prüfen und abhängig davon zu schalten.
  • 2 zeigt unterschiedliche Signalverläufe der Erregerschwingung 11 sowie der Messschwingung 7. In einer Darstellung A der 2 ist deutlich das Abklingen der Erregerschwingung 11 nach dem Trennen des Erregerschwingkreises von der elektrischen Energiequelle zu erkennen.
  • In einer Darstellung B der 2 sind im Vergleich jeweils zwei Signalverläufe einer der Messschwingungen 7 in Folge der Bestromung des Messschwingkreises 15 mittels der in A gezeigten Erregerschwingung 11 aufgetragen. Mittels einer durchgezogenen Linie ist eine erste Messschwingung 7 eines ersten Taktdurchgangs dargestellt, die den ersten Amplitudenwert 17 aufweist, der in 2 mittels einer waagrechten Linie symbolisiert ist. Mittels einer gepunkteten Linie ist eine Weitere der Messschwingungen 7 dargestellt, die zu einem zweiten Taktdurchgang den zweiten Amplitudenwert 21 aufweist, der in 2 B ebenfalls mittels einer waagrechten Linie symbolisiert ist. Die Amplitudenwerte 17 und 21 sind jeweils Maximalwerte der pro Taktdurchgang jeweils aufklingenden und wieder abklingenden Messschwingungen 7.
  • Die in 2 gepunktet dargestellte Situation ergibt sich bei einem Entfernen des metallischen Gegenstandes 2 von der Sensorspule 3, die dadurch weniger bedämpft wird. Es ist zu erkennen, dass deshalb im zweiten Taktdurchgang 23 der zweite Amplitudenwert 21 höher liegt als der erste Amplitudenwert 17 des ersten Taktdurchgangs. Sofern dieser die mittels der in 1 dargestellten Vorgabewiderstände 69 und 71 und/oder der zumindest teilweisen Reduzierung des Speicherwerts 25 vorgegebene Schwelle 29 überschreitet, generiert der Vergleicher 77 das Setzsignal 79 zum Setzen des Flipflopelementes 81.
  • 3 zeigt unterschiedliche Signalverläufe A bis F verschiedener Schaltelemente des in 1 dargestellten induktiven Sensors bei Anwesenheit des metallischen Gegenstandes 2. 4 zeigt die in 3 gezeigten Signalverläufe, jedoch beim Entfernen und Wiederannähern des metallischen Gegenstandes 2.
  • In einer Darstellung A der 3 und 4 sind jeweils insgesamt vier Perioden des Taktes 65 dargestellt. Das Verhältnis zwischen dem Takt 65 und dazwischenliegenden Pausen ist für ein stromsparendes System nicht maßstabsgetreu dargestellt. In einer Darstellung B der 3 und 4 ist jeweils schematisiert, das Ansteigen und wieder Abschwellen der Messschwingung 7 dargestellt. In einer Darstellung C der 3 und 4 ist jeweils der Setzeingang des Flipflopelementes 81 bzw. der Ausgang des Vergleichers 77 dargestellt. In einer Darstellung D der 3 und 4 ist jeweils der Rücksetzeingang des Flipflopelementes 81 dargestellt, der mit dem Takt 65 übereinstimmt. In einer Darstellung E der 3 und 4 ist jeweils der Zustand des Flipflopelementes 81 dargestellt. In einer Darstellung F der 3 und 4 ist jeweils ein zeitlicher Verlauf eines Ausgangssignals des Zeitverzögerungsglieds 73 dargestellt, also der zeitlich verzögerte Speicherwert 25, der dem Vergleicher 77 zugeführt wird.
  • Wie in 3 zu erkennen, wird das Flipflopelement 81 pro erfolgtem Takt 65 zurückgesetzt und weist durchgängig gemäß der Darstellung der 3 E den zurückgesetzten Zustand auf. Wie in 3 B zu erkennen beginnt nach jedem Ende des jeweiligen Taktes 65 eine der Messschwingungen 7, die aufgrund der Anwesenheit des metallischen Gegenstandes 2 jeweils identische maximale Amplitudenwerte aufweisen, was in 3 B mittels einer gestrichelten horizontalen Linie symbolisiert ist. Diese maximalen Amplitudenwerte entsprechen vorzugsweise dem jeweiligen ersten und zweiten Amplitudenwert 17, 21. Da die Messschwingung 7 aufklingt und dann wieder abklingt, tritt der jeweils maximale Amplitudenwert erst nach einer gewissen Anzahl von Einzelschwingungen also nach dem Aufklingen auf. Das Maximum der jeweils auftretenden Amplituden lässt sich sehr leicht ermitteln beziehungsweise speichern und ist bereits während der aufklingenden Schwingungen durch den metallischen Gegenstand 2 beeinflusst. Da sich die Beeinflussung über der Zeit aufaddiert und bei einem zeitlich verzögert auftretenden Signalmaximum gemessen wird, können eine Empfindlichkeit sowie Qualität der Messung verbessert werden.
  • In der Darstellung F der 3 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals des Zeitverzögerungsglieds 73 eingeschwungen konstant dargestellt. Dies ist der Fall, wenn der metallische Gegenstand 2 eine die Zeitverzögerung des Zeitverzögerungsglieds 73 übersteigende Zeitspanne keine Bewegung erfolgt.
  • Im Vergleich dazu ist in 4 zu erkennen, dass die in der 4 B gezeigte zweite der Messschwingungen 7 wegen einer Bewegung des metallischen Gegenstands 2 kurzzeitig die Schwelle 29 überschreitet, was gemäß der Darstellung C der 4 am Ausgang des Vergleichers 77 und damit am Setzeingang des Flipflopelementes 81 ein Signal bewirkt. Wie in der Darstellung E der 4 zu erkennen, wird dadurch das Flipflopelement 81 gesetzt. Das Flipflopelement 81 bleibt bis zum nächsten Takt 65, der ein rücksetzen bewirkt, gesetzt. Nach einem dritten in 4 dargestellten Takt, ergibt sich eine erneute Erhöhung der dritten der Messschwingungen 7, die ebenfalls im Vergleich zu der in 4 B dargestellten zweiten der Messschwingungen die Schwelle 29 noch weiter überschreitet. Es wird erneut das Setzsignal 79 erzeugt, wodurch für eine weitere Periode des Taktes 65 das Flipflopelement 81 gesetzt ist. Nach einem vierten der Takte 65 ist der metallische Gegenstand 2 wieder angenähert. Es ist zu erkennen, dass dadurch die Schwelle 29 nicht überschritten ist und in Folge dessen das Flipflopelement 81 zurückgesetzt bleibt. Außerdem ist zu erkennen, dass der zeitliche verzögerte Speicherwert 25 des Maximalwertspeichers 27 langsam wieder abfällt.
  • Grundsätzlich sind auch andere Methoden der Signalauswertung möglich, beispielsweise durch fest vorgegebene oder dynamisch nachgeregelte Schwellen.
  • Wie in den 3 und 4 zu erkennen, wird die Messschwingung 7 bzw. der erste Amplitudenwert 17 zu einem ersten Taktdurchgang 19 mit der Messschwingung bzw. einem zweiten Amplitudenwert 21 eines zweiten Taktdurchgangs 23 miteinander verglichen. Dies erfolgt zyklisch pro Taktdurchgang einmal, wobei jeweils der Amplitudenwert eines aktuellen Taktdurchgangs mit dem Amplitudenwert des diesem vorangegangenen Taktdurchgangs verglichen wird.
  • Die Anwesenheit des metallischen Gegenstandes 2 verursacht eine Dämpfung in der Sensorspule 3 und verhindert dadurch wie in 2 B durchgezogen und in 3 dargestellt ein Setzten des Flipflopelements 81. Alternativ ist es möglich, dass der metallische Gegenstand 2 eine Eigenfrequenz des Messschwingkreis 15 so beeinflusst, dass diese näher an einer Frequenz der Erregerschwingung 11 liegt und deshalb die Resonanz durch den metallischen Gegenstand 2 mehr verstärkt als bedämpft wird. Dadurch würde die Anwesenheit des metallischen Gegensandes 2 eine Erhöhung der Amplitudenwerte 17, 21 und damit das Setzen des Flipflopelements 81 bewirken.
  • 5 zeigt ein schematisiertes Schaltbild eines weiteren induktiven Sensors 1 zum Erkennen eines metallischen Gegenstandes 2. Der Sensor 1 weist dazu die Sensorspule 3 sowie eine weitere Sensorspule 5 auf, wobei der metallische Gegenstand 2 zum Erkennen an eine der zwei Sensorspulen 3 oder 5 geführt wird.
  • Im Folgenden wird lediglich auf die Unterschiede zu dem in 1 dargestellten induktiven Sensor 1 eingegangen und im Übrigen auf 1 verwiesen. Im Unterschied zur Darstellung der 1 weist der induktive Sensor 1 der 5 den Messschwingkreis 15 sowie einen weiteren Messschwingkreis 16 auf. Die Messschwingkreise 15 und 16 sind jeweils dem Erregerschwingkreis, also der Spule 59 und dem Erregerkondensator 61 des Schwingungsgenerators 13 nachgeschaltet.
  • Der erste Messschwingkreis 15 erzeugt ein von der Bewegung des metallischen Gegenstandes 2 abhängiges erstes Ausgangssignal 33. Analog dazu erzeugt der weitere Messschwingkreis 16 ein weiteres Ausgangssignal 35. Der Messschwingkreis 15 und der weiteres Messschwingkreis 16, also die Ausgangssignale 33 und 35 sind einem Differenzverstärker 43 vorgeschaltet. Der Differenzverstärker 43 generiert ein Differenzsignal 31. Aufgrund der Differenzbildung ist das Differenzsignal 31 grundsätzlich robust gegen auf die Sensorspule 3 sowie eine weitere Sensorspule 5 des weiteren Messschwingkreises 16 wirkende Störeinflüsse.
  • Die Spule 3 und die Spule 5 können gleich orientiert voreinander oder nebeneinander angeordnet sein. Ein Abstand kann vorzugsweise so gewählt sein, dass der metallische Gegenstand 2 gegebenenfalls nur auf einen der beiden Messschwingkreise 15,16 wirkt ohne den anderen wesentlich zu beeinflussen.
  • Da die Sensorspulen 3 und 5 bauartbedingt zumindest einen geringen Abstand aufweisen, können Störeinflüsse jedoch zu einem geringfügig veränderten Differenzsignal 31 führen. Um diesen Effekt ebenfalls zu eliminieren, sind der Maximalwertspeicher 27 und eine diesem nachgeschaltete Auswerteschaltung 39 so aufgebaut, dass das Differenzsignal 31 in einem ersten Zeitfenster 49, das in 7 dargestellt ist, mit dem Differenzsignal 31 in einem zweiten Zeitfenster 51, das ebenfalls in 7 dargestellt ist, verglichen wird. Der Maximalwertspeicher 27 sowie die Auswerteschaltung 39 sind dazu mittels des Taktgebers 63 zeitgesteuert. Dadurch kann elektrische Energie eingespart werden.
  • Die genaue Funktion sowie mögliche Ausgestaltung des in 5 dargestellten Maximalwertspeichers 27 wird im Folgenden anhand der 6 näher erläutert. Der Maximalwertspeicher 27 weist einen ersten Teilspeicher 85 auf, der während des ersten Zeitfensters 49 mittels eines elektrischen Schaltelementes auf den Ausgang des Differenzverstärkers 43, also das Differenzsignal 31 geschaltet ist. Analog dazu ist ein zweiter Teilspeicher 87 während des zweiten Zeitfensters 51 ebenfalls mittels eines elektrischen Schaltelementes auf den Ausgang des Differenzverstärkers 43, also das Differenzsignal 31 geschaltet. Der Vergleicher 77 vergleicht die Speicherausgänge des ersten Teilspeichers 85 und des zweiten Teilspeichers 87, also das jeweilige Differenzsignal 31 des ersten Zeitfensters 49 und des zweiten Zeitfensters 51 miteinander. Falls eine in 6 lediglich mittels des Bezugszeichens 37 angedeutete Differenzschwelle überschritten ist, erzeugt der Vergleicher 77 das Setzsignal 79 zum Setzen des Flipflopelements 81. Die Teilspeicher 85 und 87 können durch den Taktgeber 63 mit elektrischer Energie versorgt werden, sind also in Pausen des Takts 65 beziehungsweise in dadurch vorgegebenen Messpausen im Wesentlichen stromlos. Dadurch kann der Stromverbrauch weiter gesenkt werden.
  • 7 zeigt in Darstellungen A bis D unterschiedliche Verläufe des Differenzsignals 31 des in den 5 und 6 dargestellten induktiven Sensors 1.
  • In einer Darstellung A ist in 7 der Takt 65 dargestellt. In einer Darstellung B ist zu erkennen, dass während des Taktes 65 keine Erregerschwingung 11 an den Messschwingkreisen 15 und 16 liegt. Sobald der Takt 65 endet und damit der Erregerschwingkreis nicht mehr bestromt ist, tritt die abklingende Erregerschwingung 11 auf. Gemäß der Darstellung C der 7 ist in Folge der Erregung mittels der Erregerschwingung 11 das Differenzsignal 31 aus der Messschwingung 7 und einer weiteren Messschwingung 9 des weiteren Messschwingkreises 16 bei Annäherung des metallischen Gegenstandes 2 dargestellt. Die Annäherung des metallischen Gegenstandes 2 führt zu einer Verstimmung zumindest eines der Messschwingkreise 15 und/oder 16 und dadurch zu einem ansteigenden und wieder abschwellenden Differenzsignal 31, wie im Verlauf C der 7 dargestellt.
  • Gemäß der Darstellung D der 7 ist zu erkennen, dass das Differenzsignal 31 ohne eine Annäherung des metallischen Gegenstandes 2 eine gleichbleibende Grundschwingung aufweist. Diese kann beispielsweise von einer elektromagnetischen Störung, die auf den induktiven Sensor 1 einwirkt, herrühren. Grundsätzlich kann die Störung durch das Bilden des Differenzsignals 31 reduziert werden, jedoch aufgrund eines gegebenenfalls unterschiedlichen Abstandes der Sensorspulen 3 und 5 gegenüber einer Störsignalquelle nicht gänzlich. Um dieses verbleibende Störsignal zu eliminieren, wird das Differenzsignal 31 in dem ersten Zeitfenster 49, das in 7 mittels zwei senkrechen Linien symbolisiert ist im Vergleich zu einem Verlauf während des zweiten Zeitfensters 51, das in 7 ebenfalls mittels zwei senkrechten Linien symbolisiert ist, betrachtet. Wie in der Darstellung C der 7 zu erkennen, erzeugt der Vergleicher 77 lediglich dann das Setzsignal 79 falls ein Maximalwert einer Amplitude des Differenzsignals 31 des zweiten Zeitfensters 51 einen Maximalwert der Amplitude des Differenzsignals 31 des ersten Zeitfensters 49 um die Differenzschwelle 37 überschreitet.
  • Das erste Zeitfenster 49 entspricht insbesondere der Länge des Taktes 65. Das zweite Zeitfenster 51 umfasst zumindest einen Teil der durch Resonanz mit der Erregerschwingung 11 erzeugten Messschwingungen 7 und 9 und dem daraus gebildeten Differenzsignal 31. Das zweite Zeitfenster 51 schließt sich vorzugsweise direkt an das erste Zeitfenster 49 an und beginnt sobald der Takt 65 endet bzw. die Erregerschwingung 11 beginnt.
  • Das erste Zeitfenster 49 zur ersten Ermittlung der Amplitude des Differenzsignals 31 kann in einem Zeitraum der Bestromung der Spule 59 liegen oder mit diesem übereinstimmen. Das zweite Zeitfenster 51 zur zweiten Ermittlung der Amplitude des Differenzsignals 31 liegt optimalerweise in einem Bereich einer höchsten Resonanzschwingung des Differenzsignals 31 und/oder der Messschwingungen 15,16, wobei die Messung stattfindet. Verändert sich die erste Amplitude, zum Beispiel durch eine auf die Sensorspule 3 und/oder 5 einwirkende Störgröße, so wird diese erfasst und passt in einer bevorzugten Alternative den Schwellwert für die zweite Amplitude, also für die eigentliche Messung zum Erkennen des metallischen Gegenstands 2, entsprechend an.
  • Gemäß einer bevorzugten Alternative ist es möglich, eine Energieübertragung von dem Schwingungsgenerator 13 auf die Messschwingkreise 15 und/oder 16 anstatt über den Kondensator 57 und/oder den Widerstand 55 ganz oder zumindest teilweise über eine induktive Energieübertragungsstrecke vorzunehmen. Die Spulen 3 und/oder 5 können gegebenenfalls die Energie direkt empfangen.
  • Die induktiven Sensoren 1 gemäß der Darstellung der 1 und 5 können Teil eines in den 1 und 5 nur teilweise dargestellten Näherungsschalters 47 sein. Mittels des Näherungsschalters 47 können beispielsweise in Fertigungseinrichtungen wie Montagebändern Abläufe abhängig von einer Bewegung und/oder Annäherung des metallischen Gegenstandes 2 geschaltet oder gesteuert werden, insbesondere falls ein extrem energiesparender oder energieautarker Betrieb gewünscht ist.
  • Außerdem kann der induktive Sensor 1 für eine Mensch-Maschine-Schnittstelle genutzt werden, beispielsweise ein manuell betätigbarer Schalter oder Regler, bei dem der metallische Gegenstand 1 als elektrisch abgekoppeltes bewegliches Element verwendet wird.
  • 8 zeigt entsprechend drei Beispiele A, B, C einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 89 zum manuellen Steuern einer Schaltfunktion. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 89 weist zumindest ein zwischen zwei Positionen verlagerbares Schaltelement 91 auf, das dem vorab beschriebenen metallischen Gegenstand 2 entspricht. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle 89 weist zumindest einen vorab beschriebenen induktiven Sensor 1 auf, der mit dem zumindest einen Schaltelement 91 zusammenwirkt. In 8 ist lediglich die Sensorspule 3 des Sensors 1 angedeutet. Diese ist vorzugsweise geschützt und elektrisch entkoppelt zu dem Schaltelement 91 in einem Gehäuse 93 untergebracht. In dem Gehäuse 93 können auch der restliche induktive Sensor 1 sowie eine diesem nachgeschaltete nicht dargestellt Schaltlogik untergebracht sein.
  • Das eigentlich bewegliche Schaltelement 91 ist elektrisch entkoppelt und ermöglicht dennoch eine haptische Rückmeldung. Ferner werden keine Bauteile mit relevanten magnetischen Feldern benötigt, um die Schaltfunktion auszulösen. Diese wird durch die manuell mit geringen Schaltkräften zu bewerkstelligende Verlagerung des Schaltelements 91 hin zu der Sensorspule 3 und von dieser weg gesteuert. Dabei können durch die nicht näher dargestellte Schaltlogik eine Triggerfunktion, beispielsweise zum Ein- und/oder Ausschalten realisiert werden. Die Verlagerung ist in 8 jeweils mittels eines Doppelpfeils angedeutet, wobei eine an die Sensorspule 3 angenäherte Position des Schaltelements 91 jeweils gestrichelt dargestellt ist.
  • In einer Darstellung A zeigt 8 ein flächiges rechteckiges translatorisch verlagerbares Schaltelement 91, in einer Darstellung B ein dreieckförmiges rotatorisch verlagerbares Schaltelement 91 sowie in einer Darstellung C ein ringförmiges translatorisch verlagerbares Schaltelement 91. Gemäß der Darstellung C kann das Gehäuse 93 zylindrisch oder kreiszylindrisch ausgeführt sein.
  • Einsatzgebiete sind Schalter für explosionsgeschützte Räume, Tauchsportanwendungen und auch überall dort, wo ein Schalten und/oder Bedienen mittels Magnet und Hallsensoren wegen möglicherweise vorhandener magnetischer Partikel nicht möglich ist. Außerdem Anwendungen, bei denen eine Bedienung mit haptischer Rückmeldung, eine Kapselung und/oder ein extrem geringer Stromverbrauch gewünscht sind, beispielsweise energieautarke, batteriebetriebene und/oder mobile Geräte.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    induktiver Sensor
    2
    metallischer Gegenstand
    3
    Sensorspule
    5
    weitere Sensorspule
    7
    Messschwingung
    9
    weitere Messschwingung
    11
    Erregerschwingung
    13
    Schwingungsgenerator
    15
    Messschwingkreis
    16
    weiterer Messschwingkreis
    17
    erster Amplitudenwert
    19
    erster Taktdurchgang
    21
    zweiter Amplitudenwert
    23
    zweiter Taktdurchgang
    25
    Speicherwert
    27
    Maximalwertspeicher
    29
    Schwelle
    31
    Differenzsignal
    33
    Ausgangssignal
    35
    weiteres Ausgangssignal
    37
    Differenzschwelle
    39
    Auswerteschaltung
    43
    Differenzverstärker
    47
    Näherungsschalter
    49
    erstes Zeitfenster
    51
    zweites Zeitfenster
    53
    Resonanzkondensator
    55
    Widerstand
    57
    Kondensator
    59
    Spule
    61
    Kondensator
    63
    Taktgeber
    65
    Takt
    67
    Schaltelement
    69
    erster Vorgabewiderstand
    71
    zweiter Vorgabewiderstand
    73
    Zeitverzögerungsglied
    75
    Vorgabeausgang
    77
    Vergleicher
    79
    Setzsignal
    81
    Flipflopelement
    83
    Tiefpass
    85
    erster Teilspeicher
    87
    zweiter Teilspeicher
    89
    Mensch-Maschine-Schnittstelle
    91
    Schaltelement
    93
    Gehäuse
  • 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 602004010486 T2 [0002]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes (2) an einer Sensorspule (3), mit: - Periodisch wiederkehrendes Erzeugen einer von der Bewegung abhängigen elektrischen Schwingung in der Sensorspule (3), - Vorgeben einer Bedingung für die Schwingung, - Erkennen der Bewegung falls die Bedingung erfüllt ist, gekennzeichnet durch: - Periodisch wiederkehrendes Erzeugen einer abklingenden Erregerschwingung (11) mittels eines separaten Schwingungsgenerators (13), - Versetzen eines die Sensorspule (3) aufweisenden Messschwingkreises (15) in Resonanz mit der Erregerschwingung (11) und dadurch - Erzeugen der Schwingung als aufklingende und anschließend wieder abklingende Messschwingung (7).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - Versetzen eines eine weitere Sensorspule (5) aufweisenden Messschwingkreises (16) in Resonanz mit der Erregerschwingung (11) zum Erzeugen einer weiteren aufklingenden und anschließend wieder abklingenden Messschwingung (9), - Bilden eines Differenzsignals (31) aus einem Ausgangssignal (33) des Messschwingkreises (15) und einem weiteren Ausgangssignal (35) des weiteren Messschwingkreises (16) zum Prüfen der Bedingung.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch: - Periodisch wiederkehrendes Bereitstellen des Differenzsignals (31) ohne Bestromen der Messschwingkreise (15, 16) mittels der Erregerschwingung (11) und wechselweise dazu in Resonanz mit der Erregerschwingung (11), - Vergleichen des Differenzsignals (31) während eines ersten Zeitfensters (49) ohne Bestromung mit dem Differenzsignal (31) während eines zweiten Zeitfensters (51) in Resonanz zum Prüfen der Bedingung.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: - Periodisch wiederkehrendes Bereitstellen eines ersten Amplitudenwertes (17) der Messschwingung (7) eines ersten Taktdurchgangs (19) und eines zweiten Amplitudenwertes (21) der Messschwingung (7) eines späteren zweiten Taktdurchgangs (23) zum Prüfen, ob die Bedingung erfüllt ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch: - Erhöhen eines Speicherwertes (25) eines Maximalwertspeichers (27) auf den ersten Amplitudenwert (17) im ersten Taktdurchgang, - Erkennen der Bewegung falls im zweiten Taktdurchgang (23) der zweite Amplitudenwert (17) den Speicherwert (25) des Maximalwertspeichers (27) oder den ersten Amplitudenwert (17) des ersten Taktdurchgangs (19) um eine Schwelle (29) überschreitet oder unterschreitet.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch: - Reduzieren des Speicherwertes (25) des Maximalwertspeichers (27) zwischen dem ersten Taktdurchgang (19) und dem zweiten Taktdurchgang (23).
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch: - zeitliches Verzögern des Speicherwerts (25) mittels eines Zeitverzögerungsglieds (73) zum Prüfen der Bedingung.
  8. Induktiver Sensor (1) zum Erkennen einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes (2) an einer Sensorspule (3), insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit: - Einem die Sensorspule (3) aufweisenden Messschwingkreis (15) in dem eine Schwingung erzeugbar ist, - einer Auswerteschaltung (39) zum Erkennen der Bewegung, falls die Schwingung (7) eine vorgegebene oder vorgebbare Bedingung erfüllt, gekennzeichnet durch: - Einen separaten und dem Messschwingkreis (15) vorgeschalteten Schwingungsgenerator (13) zum Erzeugen einer periodisch wiederkehrenden Erregerschwingung (11), wobei der Messschwingkreis (15) zum Erzeugen einer aufklingenden und anschließend wieder abklingenden Messschwingung (7) in Resonanz mit der Erregerschwingung (11) bringbar ist.
  9. Induktiver Sensor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Vergleicher (77) zum Ermitteln einer Differenz zwischen einem ersten Amplitudenwert (17) der Messschwingung (7) eines ersten Taktdurchgangs (19) mit einem zweiten Amplitudenwert (21) der Messschwingung (7) eines zweiten Taktdurchgangs (23), wobei die Bewegung in Abhängigkeit der Differenz erkennbar ist.
  10. Induktiver Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schwingungsgenerator (13) der Messschwingkreis (15) sowie ein eine weitere Sensorspule (5) aufweisender weiterer Messschwingkreis (16) nachgeschaltet sind, und dass den Messschwingkreisen (15, 16) ein Differenzverstärker (43) zum Erzeugen eines Differenzsignals (31) der Messschwingkreise (15, 16) nachgeschaltet ist, wobei die Bewegung in Abhängigkeit des Differenzsignals (31) erkennbar ist.
  11. Induktiver Näherungsschalter (47) zum Schalten in Abhängigkeit einer Bewegung eines metallischen Gegenstandes (2), gekennzeichnet durch einen induktiven Sensor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und/oder eingerichtet, ausgelegt, programmiert oder konstruiert zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
  12. Mensch-Maschine-Schnittstelle (89) mit einem zwischen zwei Positionen verlagerbaren metallischen Schaltelement (91), gekennzeichnet durch einen induktiven Sensor (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zum Erkennen des Schaltelements (91) und/oder eingerichtet, ausgelegt, programmiert oder konstruiert zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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