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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß Gattungsbegriff
des Anspruches 1.
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Ein
Näherungsschalter
wird von der
DE 40 31 252 beschrieben.
Dort wird die Sendespule von einer Oszillatorspule ausgebildet.
Die Empfangsspule besteht aus zwei Teilspulen, die koaxial zur Oszillatorspule
hinter bzw. vor derselben angeordnet sind. Indem die beiden Teilspulen
der Empfangsspule mit gegensinnigem Wicklungssinn geschaltet sind,
addieren sich die beiden magnetischen Spannungen, die von der Sendespule
in den beiden Teilspulen induziert werden, zu Null. Dies hat die
Folge, dass an den Klemmen der Empfangsspule eine Spannung Null
oder nahe Null anliegt. Diese, in der
DE
40 31 252 beschriebene Anordnung ist außerordentlich kritisch betreffend
mechanische Deformationen, die beim Gebrauch oder bei einer Erwärmung des
Näherungschalters
auftreten können.
Dies hat Fehlschaltungen zur Folge und insbesondere eine Änderung des
Schaltabstandes.
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Weiter
ist es bei Minensuchgeräten
oder Metalldetektoren, die nach dem Transmitter-Receiver-Verfahren
arbeiten, bekannt, die Sendespule von der Empfängerspule magnetisch zu entkoppeln.
Als Entkopplung ist dort bekannt, die beiden Spulen senkrecht aufeinander
anzuordnen, so dass möglichst
wenig der von der Sendespule erzeugten Feldlinien durch die Spulenfläche der
Empfängerspule gehen.
Bei den TR-Detektoren wurde auch vorgeschlagen, die Sendespule und
die Empfängerspule
in einer Ebene anzuordnen und die Spulen so zu platzieren, dass
die gegenseitige Beeinflussung möglichst
gering ist. Als Sendespule werden dort unter anderem "Open Center Coils" verwendet, die in
der Mitte eine mehrere Zentimeter große Öffnung haben. Ihre Durchmesser
liegen etwa zwischen 20 und 25 cm. Für Tiefenortungszwecke liegen
die Durchmesser sogar bei noch höheren
Werten.
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Anders
als bei Metallsuchgeräten
oder Minensuchgeräten
ist es bei induktiven Näherungsschaltern
von entscheidender Bedeutung, dass der Schaltabstand unkritisch
gegenüber äußeren Beeinflussungen
ist. Der Schaltabstand muss auch bei verschiedenen Betriebstemperaturen
des Näherungsschalters
konstant bleiben. Auch besitzen Näherungsschalter erheblich geringere
Spulendurchmesser, als Minensuchgeräte. Die Spulendurchmesser dürfen dort
in der Regel nicht mehr als 5 cm betragen. Oftmals sind sie noch
kleiner.
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Die
DE 198 50 749 C1 offenbart
einen Sensor, der bei Annäherung
von Metallen anspricht. Dieser soll ein axial ausgerichtetes Spulensystem
besitzen. Die Spulen sind dort auf Leiterplatten angeordnet.
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Die
JP 06045904 bzw. die
EP 0 276 113 befassen sich
mit gattungsgemäßen kontaktlosen Schaltern,
bei denen sich die Sendespule und die Empfangsspule bereichsweise
derart überlappen, dass
die aus der Spulenfläche
der Sendespule austretenden Feldlinien die Spulenfläche der
Empfangsspule in beiden Richtungen durchdringen, indem die Feldlinien
die Spulenfläche
der Empfangsspule nicht nur in der einen, sondern auch in der Gegenrichtung durchdringen,
hat dies zur Folge, dass der magnetische Fluss in der Empfangsspule
insgesamt Null oder nahe Null ist. Das in der Sendespule erzeugte magnetische
Wechselfeld induziert in einer Schaltfahne aus einem Metall elektrische
Wirbelströme. Das
von der Sendespule ausgesandte magnetische Feld induziert aber sowohl
bei fehlendem Auslöser als
auch beim Schaltfeld befindlichen Auslöser so gut wie keine Spannung
in der Empfangsspule. Dies bedeutet, dass die Empfangsspule nur
das magnetische Wechselfeld empfängt,
welches von den im Auslöser
induzierten Wirbelströmen
erzeugt wird. Dadurch ist die Empfangsspule sehr empfindlich. Lediglich
aus der Pegeländerung
der in der Empfangsspule induzierten Spannung kann das Schaltsignal erzeugt
werden.
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Ausgehend
von dem zuletzt genannten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Näherungsschalter dahingehend
weiterzubilden, dass der Schaltabstand weitestgehend unkritisch
gegenüber
Temperaturschwankungen und mechanischen Beeinflussungen des Spulenträgers ist.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
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Der
Anspruch 1 sieht zunächst
und im Wesentlichen vor, dass eine Sendespule mit einer Empfangsspule
mit mehreren Wicklungen zusammenwirkt. Die Spulen sind nahe und
benachbart derart versetzt zueinander angeordnet, dass die aus der Spulenfläche der
Sendespule austretenden Feldlinien, die die Spulenfläche der
Empfangsspulenanordnung in einer Richtung durchdringen, die Spulenfläche der
Empfangsspulenanordnung auch in Gegenrichtung durchdringen. Dies
hat zur Folge, dass der magnetische Fluss in den Empfangsspulen
insgesamt Null oder nahe Null ist. Das in der Sendespule erzeugte
magnetische Wechselfeld induziert in einer Schaltfahne aus einem
Metall elektrische Wirbelströme.
Das von der Sendespule ausgesandte magnetische Feld induziert aber
sowohl bei fehlendem Auslöser
als auch bei im Schaltabstand befindlichem Auslöser so gut wie keine Spannung
in der Empfangsspulenanordnung. Dies bedeutet, dass die Empfangsspulenanordnung
nur das magnetische Wechselfeld empfängt, welches von den im Auslöser induzierten
Wirbelströmen
erzeugt wird. Dadurch ist die Empfangsspule sehr empfindlich. Lediglich
aus der Pegeländerung
der in der Empfangsspule induzierten Spannung kann das Schaltsignal
erzeugt werden. Da die beiden Spulen jetzt nicht mehr axial weit
voneinander entfernt sein müssen
und bevorzugt auf eine Mehrteiligkeit der Spule völlig verzichtet werden
kann, ist der Schaltabstand nicht mehr kritisch gegenüber mechanischen
Deformationen oder Temperaturänderungen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beide
Spulen auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet sind. Die eine
Spule kann auf der Vorder seite und die andere Spule auf der Rückseite
der Leiterplatte angeordnet sein. Da derartige Leiterplatten eine
außerordentlich geringe
Temperaturausdehnung besitzen, ist die gewünschte Temperaturstabilität gewährleistet.
Der Schaltabstand ist darüber
hinaus auch unkritisch gegenüber
Deformationen, da sich eine Verbiegung der Leiterplatte auf beide
Seiten in gleichem Maße
auswirkt. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn die eine Spule
ringförmig
von der anderen Spule überlappt
wird. Es ist dabei von Vorteil, wenn insbesondere die Sendespule
eine spiralförmige
Wicklung aufweist. Diese Wicklung erstreckt sich dann z.B. nahezu über die
gesamte Spulenfläche.
Die Spulenfläche der
Empfangsspulenanordnung erstreckt sich über die gesamte Peripherie
der Sendespule ringsum. Dies ergibt eine Rotationssymmetrie. Die
Wicklungen dieser Spule können
sich auch in gewisser Weise über
die Spulenfläche
verteilen. Die Spulen sind Flachspulen, deren Wicklungen von Leiterbahnen auf
einer Leiterplatte ausgebildet sind. Eine Weiterbildung der Erfindung
sieht vor, dass die Wechselspannung eines die Sendespule betreibenden
Oszillators mit dem insbesondere verstärkten Empfangssignal der Empfängerspulenanordnung
gemischt wird. Dies hat zur Folge, dass das von der Empfängerspulenanordnung
empfangene Signal nicht nur gleichgerichtet wird. Es werden auch
Wechselfeld-Störfelder
ausgefiltert. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Ausgangssignal
des Mischers mit einem Tiefpassfilter geglättet und anschließend verstärkt wird.
Das dadurch erzeugte Gleichspannungssignal wird von einer Auswerteschaltung
in bekannter Weise ausgewertet. Sind die beiden Spulen derart aufeinander
abgestimmt und örtlich
justiert, dass im Normalfall ein geringer magnetischer Fluss in
der Empfangsspule eine Wechselspannung induziert, so kann die Auswerteschaltung
auf einen Nulldurchgang des Pegels reagieren. In einer anderen Variante
ist vorgesehen, dass die Wechselspannung, die in der Empfangsspule
induziert wird, von einem Verstärker
verstärkt
wird. Dieses Verstärkerausgangssignal
wird auf den Schwingkreis, von dem die Sendespule ein Teil ist, geschaltet.
Diese Rückkopplung
bewirkt, dass die Schwingung des Oszillators von der Lage des Auslösers abhängt. Es
sind grundsätzlich zwei
Betriebsarten möglich.
In einer ersten Betriebsart schwingt der Oszillator bei nicht angenähertem Auslöser zufolge eines
geringen in der Empfangsspulenanordnung induzierten Wechselfeldes.
Durch Annähern
des Auslösers
wird bei Erreichen des Schaltabstandes dieses Feld derart gestört bzw.
verringert, dass die Schwingung des Oszillators bei Erreichen des Schaltabstandes
aufhört.
In einer zweiten Betriebsart setzt die Schwingung erst bei Erreichen
des Schaltabstandes ein.
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Die
Wicklungen der Empfangsspulenanordnung haben den gleichen Wicklungssinn
und überlappen
die Sendespule bereichsweise. Sie überlappen die Sendespule ringsum.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 das
Grundprinzip des erfindungsgemäßen Näherungsschalters
anhand der beiden Spulen und eines von der Sendespule erzeugten
magnetischen Feldes;
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2 eine
Darstellung gemäß 1 in
der Spulenebene,
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3 eine
alternative Spulenanordnung in der Draufsicht,
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4 ein
Schnitt gemäß der Linie
IV-IV in der 3,
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5 ein
Schaltungsbeispiel,
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6 ein
zweites Schaltungsbeispiel,
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7 ein
drittes Schaltungsbeispiel,
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8 eine
weitere alternative Spulenanordnung,
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9 eine
weitere alternative Spulenanordnung,
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10 eine
weitere alternative Spulenanordnung und
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11 eine
Spulenanordnung mit einer Abgleichschaltung.
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Die 1 und 2 zeigen
die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung einer Empfangsspule
E und einer Sendespule S. Die Sendespule S ist eine Flachspule mit
einer Spulenfläche 16.
Auch die Empfangsspule E ist eine Flachspule mit einer Spulenfläche 17.
Bei der Darstellung in den 1 und 2 sind
die Wicklungen 15, 14 der beiden Spulen E, S auf
den Spulenumfang konzentriert. Von der mit einem Wechselstrom von
mehreren Megahertz betriebenen Sendespule S wird ein magnetisches
Wechselfeld H erzeugt. In diesem magnetischen Wechselfeld H liegt
die Spulenfläche 17 der Empfangsspule.
Die Spulen E und S liegen sehr dicht beieinander. Sie sind nur einige
Millimeter voneinander entfernt. Ihr Spulendurchmesser ist wesentlich größer als
ihr Abstand. Der Abstand der beiden Spulen beträgt vorzugsweise 1 mm oder weniger
als 1 mm. Die Spulenfläche 17 der
Empfangsspule E ist so gegenüber
dem magnetischen Wechselfeld H angeordnet, dass die Feldlinien,
die aus der Spulenfläche 16 entstammen
und durch die Spulenfläche 17 der Empfangsspule
hindurchgehen, durch die Spulenfläche 17 der Empfangsspule
auch wieder zurücktreten. Dies
hat zur Folge, dass der in der Empfangsspule erzeugte magnetische
Fluss, also das Flächenintegral über das
magnetische Wechselfeld H dort gleich Null oder nahe Null ist. Dies
hat den Erfolg, dass die in der Empfangsspule induzierte Spannung
gleich Null oder sehr gering ist, wenn ansonsten keine weiteren
Wechselfelder vorhanden sind.
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Bei
dem in den 3 und 4 dargestellten
Beispiel befinden sich die Wicklungen der beiden Spulen S und E
jeweils auf den voneinander wegweisenden Seiten einer Leiterplatte.
Eine der beiden Spulen kann auch in einer Mittelebene einer mehrschichtigen
Leiterplatte angeordnet sein. Dort hat die Wicklung 15 der
Sendespule einen spiralförmigen Verlauf.
Die Spirale 15 erstreckt sich über die gesamte kreisscheibenförmige Spulenfläche 16.
Die Empfängerspule
besitzt auch eine spiralförmig
verlaufende Wicklung 14. Auch diese Wicklung wird von einer Leiterbahn 13 ausgebildet.
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Bei
der Empfangsspule konzentrieren sich die Wicklungen 13, 14 auf
den Umfangsbereich der Spulenfläche 17.
Die Kontur der Spulenfläche 17 der Empfangsspule
E entspricht dort einem Ring, der eine Öffnung besitzt. Die Spulenfläche 17 der
Empfangsspule erstreckt sich somit nur über die Peripherie der Sendespule
S. Das Zentrum der Sendespule S wird nicht von der Empfangsspule
E überlappt.
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Bei
der in 5 dargestellten Schaltung bezeichnet die Bezugsziffer 3 einen
Oszillator, der die Sendespule mit einer hochfrequenten Wechselspannung
versorgt. Diese Sendespule S kann aber auch Teil eines Oszillators 3 sein.
Mit Bezugsziffer 4 ist dort ein Anzeiger bezeichnet, der
die Wechselspannung, die in der Empfangsspule E induziert ist, anzeigt.
Der Anzeiger ist vorzugsweise ein Digitalanzeiger, der lediglich
das Erreichen des Auslösers
des Schaltabstandes anzeigt.
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Bei
dem in der 6 dargestellten Schaltungsbeispiel
wird die Sendespule S von einem Oszillator 3 mit einer
Wechselspannung versorgt. Das Wechselspannungssignal des Oszillators 3 wird
auch in einem Mischer 5 eingekoppelt. In den Mischer wird ebenfalls
das von einem Verstärker 4 erzeugte
Empfangssignal der Empfangsspule E eingekoppelt. Der Mischer liefert
ein selektiv gleich gerichtetes Eingangsignal des Verstärkers 4.
Es werden nur solche Signale gleichgerichtet und über den
Mischer übertragen,
die frequenzgleich zum Os zillatorsignal liegen. Diese wechselnde
Gleichspannung wird über
einen Tiefpassfilter geglättet.
Das geglättete
Signal wird über
einen Verstärker
verstärkt
und in bekannter Weise in einer Auswerteschaltung 9 ausgewertet.
Die Auswerteschaltung 9 kann einen Schwellwertschalter
aufweisen. Es ist aber auch vorgesehen, dass ein Nulldurchgang zur
Erzeugung eines Schaltsignales führt.
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Bei
dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Oszillator 3,
dessen Spule die Sendespule S ist, von einem Verstärker 8 betrieben,
dessen Eingangssignal das Ausgangssignal der Empfangsspule E ist.
Diese Schaltung kann so betrieben werden, dass bei nicht angenähertem Auslöser in der Empfangsspule
eine geringe Wechselspannung induziert wird. Über den Verstärker 5 wird
aufgrund dieser Wechselspannung 5 der Oszillator 3 betrieben. Ein
durch die Annäherung
eines Auslösers
erzeugtes Gegenfeld führt
zum Zusammenbruch des in der Empfangsspule induzierten Wechselspannungssignals.
Dies hat zur Folge, dass der Oszillator 3 im Schaltzustand
nicht schwingt. Diese Schaltung kann aber auch genau anders herum
betrieben werden. Sie schwingt dann erst bei angenähertem Auslöser.
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In
der 8 ist eine alternative Spulenanordnung gezeigt.
Eine zentrale kreisförmige
Sendespule ist von insgesamt vier ebenfalls kreisförmigen Wicklungen
einer Empfangsspule E umgeben. Jede der vier Wicklungen E überlappt
einen Peripherieabschnitt der zentralen Sendespule S. Die in 9 dargestellte
Spulenanordnung entspricht im Wesentlichen der in 3 und 4 dargestellten
Spulenanordnung, anders als dort besitzt die Empfangsspule E aber
einen Peripherieabschnitt, der die Spulenfläche der Sendespule nicht überlappt.
Die in der Zeichnung schräg
zur Radialrichtung verlaufende Striche, die mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet
sind, symbolisieren einzelnen Leiterbahnen zum Abschirmen. Diese
Leiterbahnabschnitte sind mit ihrem radial einwärtsgerichteten Ende einer nicht
dargestellten Extra-Leiterbahn verbunden, die auf Masse liegt. Das
in der 10 dargestellte Ausführungsbeispiel
besitzt zwei D-förmige
Spulen E, S, die spiegelbildlich zueinander angeordnet sind und
sich im Be reich des D-Steges überlappen.
Diese Spule hat zufolge des länglichen Überlappungsbereiches
eine achssymmetrische Charakteristik.
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Bei
dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das Empfangssignal der Empfängerspule
E über
einen Spannungsteiler, z. B. Potentiometer 10 abgegriffen.
Das abgegriffene Signal wird einem Verstärker zugeleitet, der die Sendespule
S bestromt. Hier überlappen
sich die Spulenflächen
der Sendespule S und der Empfangsspule E. Der Spannungsteiler ermöglicht den
Abgleich der Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule. Die Kopplung der
Spulen wird so eingestellt, dass das System gerade schwingt. Bei
Annäherung
mit einem von einem Blech ausgebildeten Auslöser wird das Sendefeld geschwächt. Die
Schwingung reißt
ab. Auch hier ist eine umgekehrte Funktion möglich. Der Oszillator schwingt
bei Annähern
des Auslösers
an.