DE102019129238B3

DE102019129238B3 - Induktiver Näherungssensor mit einer Schaltung zur Bestimmung der Induktivität

Info

Publication number: DE102019129238B3
Application number: DE102019129238.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Lautenschläger; Markus Preg
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2021-03-18
Anticipated expiration: 2039-10-31

Abstract

Induktiver Näherungssensor zum Nachweis eines leitfähigen Objektes mit einem Schwingkreis 1, der aus einer Induktivität 2 und einer Kapazität 3 besteht, einer Messschaltung 4 zur Bestimmung der Induktivität 2, sowie einer Steuereinheit 5 mit einem digitalen Speicher 6, wobei die Induktivität 2 als mindestens zweilagige Leiterplattenspule ausgebildet ist, wobei deren radiale und axiale Ausdehnung einen bestimmten Temperaturgang aufweist, wobei die Induktivität 2 zwei in konstruktiver Kopplung betreibbare Induktivitäten 2a und 2i, in verschiedenen Ebenen der Leiterplattenspule angeordnete Induktivitäten 2a und 2i aufweist, deren magnetische Kopplung und damit deren resultierende Induktivität 2 von deren axialem Abstand in der Leiterplattenspule abhängt, wobei der Näherungssensor erfindungsgemäß dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität 2a oder die zweite Induktivität 2b sowie auch die Induktivität 2 zu ermitteln, und die Messergebnisse mit im Speicher 6 abgelegten Werten zu vergleichen.Weiterhin wird ein Verfahren zur Korrektur von temperaturbedingten Messfehlern beansprucht.

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden induktiven Näherungssensor mit einer Messschaltung zur Bestimmung der Induktivität gemäß Patentanspruch 1. Induktive Näherungssensoren werden in berührungslos arbeitenden elektronischen Schaltgeräten vor allem in der Automatisierungstechnik, aber auch als Messgeräte eingesetzt.
Derartige elektronische Schaltgeräte, insbesondere als induktive Näherungsschalter, sind weit verbreitet und werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben. Sie weisen mindestens eine Sensorspule auf und können sowohl mit Stromimpulsen als auch mit kontinuierlichen meist sinusförmigen Wechselstrom betrieben werden. Im letzteren Fall ist Sensorspule meistens Bestandteil eines LC-Oszillators und damit frequenzbestimmend.
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. Ein derartiges Verhalten wird mit „K=1“ bezeichnet.
Deren Schaltabstände werden für eine Umgebungstemperatur von 23°C angegeben, und sollen im zulässigen Temperaturbereich um weniger als 10% variieren.
Da die Wechselwirkung zwischen Sendespule und Target bei wachsendem Abstand sehr schnell abnimmt, ist die Temperaturkompensation von immenser Bedeutung.
Die US 2009021248 A1 zeigt einen induktiven Sensor mit umschaltbarer Referenzspule die empfindlich auf ein zu detektierendes Metallziel reagiert.
Die DE 102012214330 B3 und die DE 102012220275 A1 offenbaren eine Differenzspulenanordnung in einem monolithischen Spulenkörperblock mit hoher Maßhaltigkeit und geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Die EP 0 049 304 B1 offenbart ein Verfahren zur Kompensation temperaturbedingter Messfehler durch Messung des Gleichstromwiderstands der Sensorspule vor, wobei anhand des Spannungsabfalls am Messorgan (der Sensorspule) ein die Temperatur repräsentierendes Korrektursignal gebildet wird. Das erfordert allerdings einen nicht unerheblichen Aufwand.
Die DE 26 18 163 A1 beschreibt eine Spulenanordnung für einen Näherungsschalter. Ausgehend von der Erkenntnis, dass die Wirbelstromverluste und die ohmschen Verluste eines Spulenleiters in Abhängigkeit von der Temperatur ein annähernd entgegengesetztes Verhalten zeigen, wird vorgeschlagen, diesen Effekt zu nutzen.
Dieser Vorschlag wird in der EP 1 978 641 A1 aufgegriffen und für moderne ferritlose Spulen weiterentwickelt. Wie sich jedoch gezeigt hat, ist die für hohe Schaltabstände erforderliche nahezu vollständige Kompensation insbesondere bei Massenfertigung ineffektiv, und kann angesichts der ohnehin vorhandenen Mikrocontroller wesentlich kostengünstiger durch rechnerische Korrektur der Ergebnisse zwar nicht vollständig ersetzt, aber wirkungsvoll ergänzt werden.
Die EP 1 141 654 B1 zeigt einen Wirbelstromsensor mit einer Kompensationsspule, die die Temperatureinflüsse auf die Messspule reduzieren soll. Ihr Radius ist deutlich kleiner als der Radius der Messspule, so dass der Einfluss des Messobjekts deutlich geringer ist. So lässt sich durch Subtraktion der Impedanz der Kompensationsspule von der Impedanz der Messspule eine Temperaturkompensation durchführen. Wie sich jedoch gezeigt hat, ist die Messung der Impedanz bzw. der Spulengüte nicht ganz unproblematisch, so dass nach alternativen Messprinzipien gesucht wird.
Da ein Parallelschwingkreis im Resonanzfall die Eigenschaften eines ohmschen Widerstandes besitzt, sollte der Temperaturgang des Kupferwiderstandes der Spule trotz seines hohen Wertes von ca. 4000 ppm/°C keinen großen Einfluss auf dessen Resonanzfrequenz haben.
So bietet die Firma Texas Instruments „Inductance-to-Digital-converter“ (LDC) an, wobei (an Stelle der Schwingkreisgüte) die Schwingkreisinduktivität durch Messung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit hoher Auflösung bestimmt wird.
Im Application Report SNAA212, siehe http://www.ti.com/lit/an/snaa212/snaa212.pdf wird vorgeschlagen, den Temperaturgang einer mehrlagigen Spule durch ihr Design zu kompensieren, wobei der bei axialer Ausdehnung kleiner werdende Koppelfaktor zwischen den einzelnen Lagen die Induktivitätszunahme durch deren Ausdehnung in radialer Richtung gerade aufheben soll.
Das ist sicher möglich, aber bei Massenfertigung mit hohen Toleranzen schwer zu handhaben und mit Kosten verbunden.
Deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden, und einen temperaturkompensierten induktiven Näherungssensor anzugeben, trotz und insbesondere wegen einer nicht ganz vollständigen Temperaturkompensation befriedigende Messergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird entsprechend dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung. Der nebengeordnete Anspruch 5 betrifft ein erfindungsgemäßes Verfahren.
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, auf die vollständige Temperaturkompensation zu verzichten, und durch eine Feinkorrektur der Messergebnisse zu ersetzen, wobei die Induktivität mindestens zwei in verschiedenen Ebenen der Leiterplattenspule angeordnete Teil-Induktivitäten aufweisen muss, in konstruktiver Kopplung betreibbar und nahezu gleichermaßen vom Messobjekt beeinflussbar sind, wobei deren magnetische Kopplung und damit auch die Gesamt-Induktivität merklich vom axialen Abstand der Spulenteile beeinflusst wird, und der Näherungssensor dazu ausgebildet sein muss, die erste oder die zweite und die (Gesamt-) Induktivität zu ermitteln und die Messergebnisse mit gespeicherten Messwerten zu vergleichen. Eine destruktive Kopplung der Teil-Induktivitäten wäre auch möglich, erscheint aber weniger aussichtsreich.
Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht darin, abweichend von der vorherrschenden Meinung ein Trägermaterial mit möglichst hohem axialen Ausdehnungskoeffizienten CTE-z zu verwenden.
Ein weiterer Erfindungsgedanke besteht darin, sämtliche Teil-Induktivitäten mit dem gleichen Durchmesser und alle Messungen im selben Frequenzbereich auszuführen. Weil kapazitive Effekte hier offenbar eine untergeordnete Rolle spielen, jedenfalls wurde experimentell kein merklicher Einfluss nachgewiesen, wird im Folgenden auf deren Betrachtung verzichtet, zumal sie bei erfindungsgemäßem Vorgehen implizit Berücksichtigung finden.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass großzügiger tolerierte und damit kostengünstigere Leiterplattenspulen verwendet werden können, was mit den wegen der benötigten hochfrequenztauglichen Umschalter mehr als aufwiegt.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

1/1a zeigen einen induktiven Sensor mit der integrierten Schaltung LDC1612,
2 zeigt eine in schematisch dargestellte zweilagige Leiterplattenspule,
3 zeigt simulierte Frequenzverläufe für ein-, zwei- und vierlagige Spulen.

Die 1 zeigt einen induktiven Sensor mit der integrierten Schaltung LDC1612 in einer auf die allerwesentlichsten Baugruppen beschränkten Darstellung mit einem aus der Induktivität 2 und der Kapazität 3 bestehenden Schwingkreis 1, der bereits genannten Messschaltung zur Induktivitätsbestimmung 4, einer Steuereinheit 5, die vorzugswese ein Mikrocontroller µC ist, ohne die Erfindung darauf beschränken zu wollen, sowie einem Speicherbaustein 6, der auch Bestandteil der Steuereinheit 5 sein kann.
Die erfindungswesentliche Zweiteilung der Induktivität 2 ist nur angedeutet. Die zur Umschaltung der Induktivitäten benötigten hochfrequenztauglichen Analogschalter sind dem Fachmann geläufig, und deshalb nicht dargestellt. In Frage kommen IC's vom Typ ADG411/ADG412/ADG413 der Firma ANALOG DEVICES. Sie können wie angedeutet von der Steuereinheit 5 (µC) gesteuert werden.
Die bevorzugte (Mess-) Frequenz liegt im Bereich um 2 MHz, und wird nur durch den LDC beschränkt, so dass Frequenzen von 0,1 bi 10 MHz in Frage kommen, ohne die Erfindung jedoch darauf zu beschränken.
Die 1a nutzt die in der integrierten Schaltung LDC1612 untergebrachten beiden Messschaltungen, so dass die oben genannten Analogschalter entfallen können.
Die 2 zeigt eine zweilagige Leiterplattenspule mit zwei in einem axialen Abstand z₁₂ angeordneten Teil-Induktivitäten 2a und 2i, die zumindest nahezu den gleichen Durchmesser aufweisen. Sie müssen nicht unbedingt parallel angeordnet sein, sollen aber etwa in gleichem Maße durch ein Messobjekt beeinflussbar sein. Sie müssen nicht vollständig, sondern nur zum wesentlichen Teil in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein. Die hier nicht dargestellten oben genannten Analogschalter sind mit den Spulenanschlüssen, und ihre Steuerleitungen mit dem in der 1 dargestellten Mikrocontroller 5 zu verbinden.
Wie der Fachmann in der Zusammenschau der 1/1a und 2 leicht einsieht, können die Induktivtäten 2a und 2i ohne weiteres separat oder auch in konstruktiver Kopplung ausgewertet werden. Wie und zu welchem Zweck das geschehen soll, wird nachfolgend näher erläutert.
Die 3 zeigt simulierte Frequenzverläufe für Messanordnungen mit ein-, zwei- und vierlagigen spiralförmigen Leiterplattenspulen im Temperaturbereich von 25°C bis 85°C. In der Gegenrichtung, d. h zu negativen Temperaturen setzt sich der lineare Verlauf fort.
Die Spulengeometrie wurde gemäß der bekannten Ausdehnungskoeffizienten für das Leiterplatten-Basismaterial FR-4 mit CTE-z = 200 ppm/K und CTE-x/y = 13 ppm/°C modifiziert, und die Induktivität einer Spulenlage nach der Näherungsformel $L [H] = 2,25 * μ_{0} * n^{2} * dq/ (1 + 3,55 * γ)$
berechnet. mit dq = (da + di) / 2 und γ = (da - di) / (da + di), mit n für die Windungszahl, da für den äußeren, di für den inneren Spulendurchmesser in cm und µ₀ = 4π*10^-7 H/m. Die obige Formel findet man unter http://homepage.ruhr-uni-bochum.de/thomas.kalkschmidt/eBauelemente/Altklausuren/eb cpo klausur 06 h .pdf oder etwas abgewandelt auf der Homepage der Firma Elektrisola. https://www.elektrisola.com/de/hf-litze-litze-litz-wire/produkte/begriffegrundlagen/technische-grundlagen-und-berechnung.html#c4631
Diese Induktivitäten wurden in die Thomsonsche Schwingungsgleichung eigesetzt. Zur Veranschaulichung wurden die Schwingkreiskapazitäten so gewählt, dass sich die drei Verläufe überschneiden, was natürlich nicht unbedingt erforderlich ist.
Für die Kapazität wurde ein Temperaturkoeffizient von 1 ppm/°C angenommen. Bei größeren z. B. 30 ppm/°C wird der Verlauf steiler, ohne sich prinzipiell zu ändern.
Der Koppelfaktor zweier Planarspulen mit einem Durchmesser r in einem Abstand z gemäß http://rfid-systems.at/03 Grundlagen 2011.pdf mit k = r³/(r²+z²)³/² angenommen, woraus sich für die zweilagige Spule eine Induktivität $L_{2} = L_{2a} + L_{2i} + 2 * k * \sqrt (L_{2a} * L_{2i})$
ergibt.
Diese Ergebnisse wurden mit Hilfe des Simulationsprogramms LTspice der Firma Analog Devices (früher Linear Technology) validiert.
Da sich die drei Induktivitäten L₂, L_2a und L_2i bei Anwesenheit eines Objekts zwar ändern, nicht aber deren Temperaturgang, kann die durch Vergleich der Messwerte erkennen, in welchem Temperaturbereich sich die Anordnung befindet und diese erfindungsgemäß korrigieren.
Hierbei werden die Messwerte mit im Speicher 6 abgelegten Werten verglichen und mit Hilfe einer dort abgelegten Tabelle (look-up-table) oder Polynomkoeffizienten ein Faktor zur Feinkorrektur der Messergebnisse festgelegt, wobei ohnehin zunächst eine Frequenz [MHz], daraus eine Induktivität [µH] und schließlich ein Abstand [mm] ermittelt werden muss.
Für die vierlagige Spule erhält man unter Verwendung des obigen Koppelfaktors: $L 4 = (4 + 2 * k13 + 4 * k 12 + 6 * k 11) * L$
wobei k13 den Koppelfaktor der äußeren Spulen, k12 den Koppelfaktor zur übernächsten Spule und k1 den Koppelfaktor zwischen benachbarten Spulen darstellt. Bei dem Verfahren zum Betrieb des induktiven Näherungssensors werden die Messergebnisse (Messwerte) in der oben aufgezeigten Weise korrigiert.
Bezugszeichenliste

1: Schwingkreis
2: Induktivität, Schwingkreisinduktivität, z. B. zweilagige Leiterplattenspule = L₂
2a: In einer ersten Ebene angeordnete Teil-Induktivität der Induktivität 2 = L_2a
2i: In einer zweiten Ebene angeordnete Teil-Induktivität _i der Induktivität 2 = L_2i
3: Kapazität (Schwingkreiskapazität)
4: Messschaltung zur Induktivitätsbestimmung, Inductance-to-Digital-converter
5: Steuereinheit µC (Mikrocontroller, Signalprozessor (DSP), ASIC, o. ä.
6: Digitaler Speicherbaustein, vorzugsweise ein SDRAM
Da: Äußerer Spulendurchmesser
Di: Innerer Spulendurchmesser für nebeneinanderliegende Induktivitäten
Dq: Mittlerer Spulendurchmesser für nebeneinanderliegende Induktivitäten
k11: Erster Koppelfaktor
k12: Zweiter Koppelfaktor
k13: Dritter Koppelfaktor für nebeneinanderliegende Induktivitäten
L: Induktivität einer Spule
n: Windungszahl einer Spule
z_nm: Axialer Abstand zweier Ebenen (n, m) in einer mehrlagigen Leiterplattenspule

Claims

Induktiver Näherungssensor zum Nachweis eines leitfähigen Objektes mit einem Schwingkreis (1), der aus einer Induktivität (2) und einer Kapazität (3) besteht, einer Messschaltung (4) zur Bestimmung der Induktivität (2), sowie einer Steuereinheit (5) mit einem digitalen Speicher (6), wobei die Induktivität (2) als mindestens zweilagige Leiterplattenspule ausgebildet ist, wobei deren radiale und axiale Ausdehnung einen bestimmten Temperaturgang aufweist, wobei die Induktivität (2) zwei in konstruktiver Kopplung betreibbare, in verschiedenen Ebenen der Leiterplattenspule angeordnete Induktivitäten (2a) und (2i) aufweist, deren magnetische Kopplung und damit deren resultierende Induktivität (2) vom axialen Abstand in der Leiterplattenspule abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor dazu ausgebildet ist, die erste Induktivität (2a) oder die zweite Induktivität (2b) sowie die Induktivität (2) zu ermitteln, und die Messergebnisse mit in dem Speicher (6) abgelegten Werten zu vergleichen.
Induktiver Näherungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er dazu ausgebildet ist, den Koppelfaktor k zwischen der ersten Induktivität (2a) und der zweiten Induktivität (2i) zu bestimmen, wobei gilt L₂ = L_2a + L_2i + 2*k*√(L_2a*L_2i)
Induktiver Näherungssensor gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Induktivitäten (2a) und (2i) etwa den gleichen Durchmesser besitzen und in der gleichen Weise von mit einem in der Nähe befindlichen leitfähigen Objekt beeinflussbar sind.
Induktiver Näherungssensor gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Leiterplattenspule ausgebildete Induktivität (2) weitere Induktivitäten 2_n aufweist, und der Näherungssensor dazu ausgebildet ist, einzelne Induktivitäten und deren Kombinationen zu bestimmen und die Messergebnisse mit im Speicher (6) abgelegten Werten zu vergleichen.
Verfahren zum Betreiben eines Induktiver Näherungssensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messergebnisse bei der Korrektur von temperaturbedingten Messfehlern Verwendung finden.