-
Die
Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einer Sendespule
und einer mehrere Spulen umfassende Empfangsspulenanordnung, wobei
die Sendespule ein Erregerfeld sendet zum Induzieren von Wirbelströmen in einem
in die Nähe
des Näherungsschalters
gebrachten metallischen Auslöser,
welche Wirbelströme
ein in zumindest einer ersten Spule der Empfangsspulenanordnung
eine Spannung induzierendes Wirbelstromfeld erzeugen, wobei die
Spulen der Empfangsspulenanordnung so angeordnet und geschaltet
sind, dass das Erregerfeld dort eine Differenzspannung erzeugt.
-
Ein
derartiger Näherungsschalter
ist aus der
DE 40 31
252 C1 vorbekannt. Diese Schrift beschreibt einen Näherungsschalter,
bei dem eine Sendespule von einem Oszillator mit einem Wechselstrom
beaufschlagt wird. Dicht neben der Sendespule befinden sich zwei
voneinander geringfügig
beabstandete Empfängerspulen,
die in Reihe geschaltet sind jedoch mit gegensinniger Wicklung.
Die Lage der Empfängerspulen
ist so gewählt,
dass bei nicht angenähertem
Auslöser
in den beiden Differenzspulen ein Summenstrom nahe Null induziert
wird.
-
Wird
ein metallischer Auslöser
nun der Sendespule angenähert,
so werden in dem Auslöser
Wirbelströme
erzeugt. Diese Wirbelströme
erzeugen ein Gegenfeld zum Erregerfeld. Dieses Gegenfeld besitzt
in den beiden Empfängerspulen
eine unterschiedliche Stärke.
Es induziert somit in den beiden Empfängerspulen unterschiedlich
große
Spannungen. Das Differenzsignal dieser beiden Spannungen weicht
von Null ab und kann verstärkt
werden, um das Ausgangssignal zu bilden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schaltabstand bei einem
derartigen Näherungsschalter
zu erhöhen.
-
Gelöst wird
die Aufgabe durch den in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
-
Der
Anspruch 1 sieht zunächst
und im Wesentlichen vor, dass die zweite Spule der Empfangsspulenanordnung
zusammen mit einer der Sendespule in Reihe geschalteten Kompensationsspule vom
Wirbelstromfeld nahezu unbeeinflußbar angeordnet ist. Ferner
ist vorgesehen, dass die zweite Spule der Empfangsspulenanordnung
und die Kompensationsspule koaxial zueinander dicht benachbart angeordnet
sind. Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Sendespule und die
erste Spule der Empfangsspulenanordnung die selbe Wicklungsrichtung
und die zweite Spule der Empfangsspulenanordnung und die Kompensationsspule
eine entgegen gerichtete Wicklungsrichtung oder die Sendespule und
die erste Spule der Empfangsspulenanordnung eine entgegengerichtete
Wicklungsrichtung und die zweite Spule der Empfangsspulenanordnung
und die Kompensationsspule die selbe Wicklungsrichtung haben. Außerdem kann
vorgesehen sein, dass die Ebene die Sendespule bzw. der ersten Spule
der Empfangsspulenanordnung unter einem Winkel größer Null,
vorzugsweise 90° steht
zur Ebene der zweiten Empfangsspulenanordnung bzw. der Kompensationsspule.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eines der beiden Spulenpaare,
Sendespule und erste Spule der Empfangsspulenanordnung bzw. zweite
Spule der Empfangsspulenanordnung und Kompensationsspule auf einer
Leiterbahn als Planarspulen ausgebildet sind. Darüber hinaus
ist vorgesehen, dass die beiden Spulen eines Spulenpaares auf den
beiden sich gegenüberliegenden
Seiten einer Leiterplatte angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, wenn
die die Kompensationsspule tragende Leiterplatte mit der Rückseite
der die Sendespule tragenden Leiterplatte verbunden ist. Auch kann
vorgesehen sein, dass die die Kompensationsspule tragende Leiterplatte
der die Sendespule tragenden Leiterplatte diametral zugeordnet ist.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn das aus zwei Spulen der Empfangsspulenanordnung
und die Kompensationsspule bestehende Spulenpaar entfernt oder abgeschirmt
von dem aus der Sendespule und der ersten Spule der Empfangsspulenanordnung
bestehenden Spulenpaar angeordnet ist. Eine Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass die Sendespule und die erste Spule der Empfangsspulenanordnung an
einem mit einer festen Frequenz und Amplitude schwingenden Oszillator
angeschlossen sind. Vorteilhaft ist es ferner, wenn die erste Spule
der Empfangsspulenanordnung Teile eines Oszillators sind. Schließlich kann
vorgesehen sein, dass die Sendespule und die erste Spule der Empfangsspule
Teile eines selbstschwingenden, bei Annäherung des Auslösers bedämpften oder
bei Annäherung
des Auslösers
anschwingenden Oszillators sind. Die Sendespule und die Kompensationsspule
sind in Reihe geschaltet. Sie sind gleichsinnig gewickelt. Sie werden
von einem Wechselspannungsgenerator gespeist. Die beiden Spulen
der Empfangsspulenanordnung sind ebenfalls in Reihe geschaltet aber
gegensinnig gewickelt. Die Spulen sind so aufeinander abgestimmt,
dass bei entferntem Auslöser
die Differenzspannung von der Empfangsspulenanordnung im Wesentlichen
Null ist. Ein kleines Signal kann aber vorhanden sein. Wird nun
ein Auslöser
an die Sendespule angenähert,
so wird in dem Metall des Auslösers
ein Wirbelstrom induziert. Dieser Wirbelstrom erzeugt ein zum Erregerfeld
gegengerichtetes Wirbelstromfeld. Da die zweite Spule der Empfangsspulenanordnung
so angeordnet ist, dass sie vom Wirbelstromfeld nahezu unbeeinflußt bleibt,
ist die Differenzspannung im Wesentlichen nur die Spannung, die
vom Wirbelstromfeld in der ersten Spule der Empfangsspulenanordnung
induziert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass diese Spannung
dann einen Schwellwert erreicht, wenn der Abstand des Auslösers von
der Sendespule dem Schaltabstand entspricht. Da zufolge der erfindungsgemäßen Lösung die
Ausgangsspannung der Empfangsspulenanordnung nahezu gleich der Spannung
ist, die in der ersten Empfangsspule von dem Wirbelstromfeld induziert
wird, ist die Empfindlichkeit der gesamten Schaltung gegenüber der
des Standes der Technik erhöht. Demzufolge
sind höhere
Schaltabstände
möglich.
Es ist aber auch möglich,
dass die Ausgangsspannung der Empfangsspulenanordnung bei Erreichen
des Schaltabstandes auf Null sinkt oder ihr Vorzeichen wechselt.
Als vorteilhaft wird es angesehen, dass die Schaltung sehr temperaturstabil
ist, da die beiden Spulenpaare jeweils einer Leiterplatte zugeordnet werden
können.
Die beiden Spulen jedes Spulenpaares können auf den voneinander wegweisenden Breitseiten
der Leiterplatte mit den üblichen
Beschichtungs-/Ätzverfahren
gefertigt werden. Die beiden Leiterplatten können mit einander verklebt
werden. Hierzu wird die die Kompensationsspule tragende Leiterplatte
mit ihrer Schmalseite insbesondere diametral auf die Rückseite
der die Senderspule tragenden Leiterplatte aufgeklebt. Stehen die
beiden Ebenen der Spulenpaare senkrecht zueinander, so können die
beiden Spulenpaare in unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet sein.
Die Feldlinien des Wirbelstromfeldes durchdringen dabei im Wesentlichen
nur die Wicklung der Sendespule bzw. der ersten Spule der Empfangsspulenanordnung.
Die beiden anderen Spulen werden so gut wie nicht von den Feldlinien
des Wirbelstromfeldes durchdrungen. In einer alternativen Ausgestaltung
ist vorgesehen, dass das die Kompensationsspule aufweisende Spulenpaar
entfernt von dem die Sendespule aufweisenden Spulenpaar angeordnet
ist. Bei dieser Alternative wird allein durch die räumliche
Distanzierung erreicht, dass die Kompensationsspule vom Wirbelstromfeld
nahezu unbeeinflußt
ist. Alternativ dazu kann das die Kompensationsspule aufweisende
Spulenpaar auch gegenüber
dem Wirbelstromfeld durch geeignete Maßnahmen abgeschirmt werden.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
-
1 das
Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltung,
-
2 eine
erste Anordnungsvariante der beiden Spulenpaare,
-
3 eine
zweite Variante der Anordnung der beiden Spulenpaare,
-
4 eine
weitere Variante der Anordnung der beiden Spulenpaare,
-
5 eine
weitere Variante der Anordnung der beiden Spulenpaare,
-
6 ein
Ausführungsbeispiel,
bei dem die beiden Spulenpaare je auf einer Leiterplatte angeordnet
sind und die beiden Leiterplatten miteinander verklebt sind in der
Frontansicht,
-
7 eine
Darstellung gemäß der Schnittlinie
VII-VII in 6,
-
8 eine
Ansicht in Richtung des Pfeiles VIII in 7,
-
9 ein
erstes Schaltungsbeispiel und
-
10 ein
zweites Schaltungsbeispiel.
-
Das
in der 1 dargestellte Grundprinzip zeigt die beiden Spulenpaare.
Ein erstes Spulenpaar wird von der Sendespule S1 und der Empfängerspule E1
ausgebildet. Diese beiden Spulen sind koaxial zueinander angeordnet
und haben einen gleichen Wicklungssinn. Funktionell distanziert
von diesem ersten Spulenpaar ist ein zweites Spulenpaar vorgesehen,
das aus der Kompensationsspule S2, die mit der Sendespule S1 in
Reihe geschaltet ist, und der zweiten Spule E2 der Empfangsspulenanordnung besteht,
die mit der ersten Spule E1 der Empfangsspulenanordnung in Reihe
geschaltet ist. Die Kompensationsspule S2 und die zweite Spule E2
der Empfangsspulenanordnung liegen ebenfalls aufeinander und sind
koaxial zueinander angeordnet jedoch sind die beiden Spulen entgegengesetzt
gewickelt. Die aus den beiden Spulen S1 und S2 bestehende Sendespulenanordnung
ist mit einem Generator 2 verbunden. Dieser Generator 2 speist
beide Spulen S1 und S2 mit einer Wechselspannung. Das von der Sendespule
S1 ausgesandte Erregerfeld erzeugt in einem metallischen Auslöser 1,
der der Sendespule S1 angenähert
wird, Wirbelströme.
Diese Wirbelströme
erzeugen einen Gegenfeld zum Erregerfeld. Dieses Wirbelstromfeld überlagert
sich in der Empfangsspule E1 mit dem von der Sendespule S1 erzeugten
Erregerfeld. Zufolge der entgegengesetzten Richtungen der beiden
Felder schwächt
sich das effektive, in der Empfängerspule 1 vorhandene
magnetische Feld ab. Dies hat zur Folge, dass in der Empfängerspule 1 eine
etwas geringere Spannung induziert wird.
-
Von
der zweiten Sendespule S2, die zuvor als Kompensationsspule bezeichnet
worden ist, wird ein magnetisches Feld erzeugt. Dieses magnetische Feld
induziert in der zweiten Empfängerspule
E2 eine Spannung. Die beiden Empfängerspulen E1 und E2 sind so
auf die beiden Sendespulen S1 und S2 abgestimmt, dass bei entfernt
liegendem Auslöser 1 das Differenzausgangssignal
gerade Null ist. Dies wird dadurch erreicht, dass bei einem der
beiden Spulenpaare (beispielsweise S1, E1) die beiden Wicklungen den
gleichen Wicklungssinn haben und bei dem anderen Spulenpaar, (beispielsweise
S2, E2) die beiden Spulen entgegengerichtet gewickelt sind.
-
Das
die Kompensationsspule S2 aufweisende Spulenpaar ist so angeordnet,
dass es vom Wirbelstromfeld nahezu unbeeinflußt wird. Dies hat zur Folge,
dass das Differenzausgangssignal 3 keinen reduzierenden
Anteil wie beim Stand der Technik aufweist, sondern im Wesentlichen
aus dem Induktionsanteil besteht, den das Wirbelstromfeld erzeugt.
-
Bei
der in 2 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden
Spulen S1 und E1 des ersten Spulenpaares nahezu gleichgroß ausgebildet.
Auch die beiden Spulen des S2, E2 des zweiten Spulenpaares sind
etwa gleich groß ausgebildet.
Allerdings liegen die beiden Spulenpaare in zueinander senkrechten
Ebene. Das die Sendespule S1 aufweisende Spulenpaar ist derart angeordnet, dass
die Achse der Spule der Annäherungsachse
des Auslösers 1 entspricht.
Die Achse des zweiten Spulenpaares steht senkrecht auf dieser Achse.
-
Auch
bei den in den 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispielen
steht die Achse des die Kompensationsspule S2 und die zweite Empfängerspule
E2 aufweisenden Spulenpaares senkrecht zu der Achse des ersten Spulenpaares.
Während
bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
die Mittelebene des die Kompensationsspule S2 aufweisenden Spulenpaares
diametral zur Sendespule S1 angeordnet ist, ist bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
die Mittelebene des die Kompensationsspule S2 aufweisenden Spulenpaares zum
Rand hin versetzt. Bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist die Mittelebene des die Kompensationsspule S2 aufweisenden Spulenpaares
sogar nach außerhalb
der Spulenfläche
der Sendespule 1 versetzt.
-
Bei
dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden
Spulenpaare derart entfernt voneinander, dass das Wirbelstromfeld
bei Erreichen des Schaltabstandes nur eine geringe Spannung in der
Empfängerspule
E2 induziert. Mit der Bezugsziffer 4 ist eine optionale
Abschirmung zwischen den beiden Spulenpaaren bezeichnet. Mit dieser
Abschirmung können
die beiden Spulenpaare näher
aneinander angeordnet werden. Anders als bei den in den 2, 3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
liegen hier die Achsen der beiden Spulenpaare parallel zueinander.
-
Bei
dem in 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die beiden Sendespulen S1 und S2 und die beiden Empfängerspulen
E1 und E2 jeweils als Planarspulen auf einer Leiterbahn 5, 6 ausgebildet.
Die Sendespule S1 liegt dabei auf der einen Seite der Leiterplatte 5.
Die Empfängerspule E1
liegt auf der Rückseite
derselben Leiterplatte 5. Beide Spulen haben eine Spiralform
und werden aus einer durchgängigen
Kupferbeschichtung herausgeätzt.
In einer nicht dargestellten Variante befinden sich Sendespule S1
und Empfangsspule E1 auf derselben Seite der Leiterplatte.
-
Auch
die Kompensationsspule S2 und die Empfängerspule E2 sind einer gemeinsamen
Leiterplatte 6 zugeordnet. Im Ausführungsbeispiel liegen die beiden
Spulen S2, E2 auf den beiden voneinander wegweisenden Breitseiten
der Leiterplatte 6. Auch hier ist es möglich, die beiden Spulen S2,
E2 auf der gleichen Leiterplattenseite anzuordnen. Die beiden Leiterplatten
sind miteinander verklebt. Dabei ist die Schmalseite der Leiterplatte 6 diametral
auf die Breitseite der Leiterplatte 5 aufgeklebt.
-
Die
9 zeigt
ein erstes Schaltungsbeispiel. Hier sind die beiden Spulen S1 und
S2 mit entgegengesetztem Wicklungssinn angeordnet. Die Spule S1
ist mit der Spule S2 in Reihe geschaltet. Beide Spulen S1 und S2
werden von einem Wechselspannungsgenerator
2 gespeist,
so dass die Sendespule S1 ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches
in der Lage ist, in einem Blechauslöser
1 Wirbelströme zu erzeugen.
Die auf der gleichen Leiterplatte mit der Kompensationsspule S2
angeordnete zweite Empfängerspule
E2 ist mit der ersten Empfängerspule
E1 in Reihe geschaltet und beide sind gleichsinnig gewickelt. Das
Differenzausgangssignal dieser Empfangsspulenanordnung E1, E2 wird
einem Verstärker
zugeführt.
Das Ausgangssignal wird in bekannter Weise einem Grenzwertschalter
8 zugeleitet.
Dort wird in bekannter Weise (siehe
DE 40 31 252 C1 ) das Schaltsignal erzeugt.
Die Differenzspannung
3 ist im Wesentlichen proportional
zu der in der Empfängerspule
E1 von dem Wirbelstromfeld erzeugten Spannung.
-
Bei
dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel
bilden die beiden Sendespulen S1 und S2 mit einem Kondensator 10 einen
Schwingkreis. Dieser wird durch das Ausgangssignal eines Verstärkers 7 angeregt.
Das Eingangssignal des Verstärkers ist
das Differenzspannungssignal an Punkt 3 der beiden Empfän gerspulen
E1 und E2. Das Ausgangssignal des Verstärkers wird nicht nur in den
Oszillator zurückgeführt, sondern
gelangt über
einen Tiefpass 10 an einen Grenzwertschalter, der in bekannter
Weise das Ausgangssignal liefert. Die in 10 dargestellte
Schaltung kann so eingestellt sein, dass das System so eben schwingt,
wenn der Auslöser 1 weit entfernt
ist. Bei Annäherung
des Auslösers
wird das Sendefeld derart geschwächt,
dass die Schwingung abreißt.
Es ist auch die umgekehrte Funktionsweise möglich. In der Ausgangsposition,
bei entferntem Auslöser
schwingt das System nicht. Erst wenn der Auslöser der Sendespule S1 angenähert wird,
beginnt es zu schwingen.
-
Die
Spulenanordnung ist nicht nur auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Es ist vielmehr auch vorgesehen und entspricht dem Gegenstand der
Erfindung, dass die einzelnen Spulen S1, E1, S2 und E2 auch von
Mehrfachspulenkomplexen ausgebildet sind, wie sie beispielsweise
die
DE 100 57 773
A1 beschreibt. Hinsichtlich der Ausgestaltung derartig
verwendbarer Mehrfachspulen wird auch zum Zweck der Offenbarung
auf die
DE 100 57 773 verwiesen.
-
Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.