DE19611810C2

DE19611810C2 - Berührungslos arbeitender Näherungsschalter

Info

Publication number: DE19611810C2
Application number: DE1996111810
Authority: DE
Inventors: Reinhard Droxler
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: DE19611810A1

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslos arbeitenden Näherungsschalter mit einem durch von außen herangeführte metallische Gegenstände beeinflußbaren Schwingkreis und mit einer Auswerteeinrichtung zur Gewinnung eines Schaltsignals aus einem die Änderung des Schwingungs zustands beschreibenden Ausgangssignal des Schwing kreises, wobei der Schwingkreis eine Schwingkreisbrücke mit wenigstens zwei Kondensatoren und wenigstens zwei durch die von außen herangeführten Gegenstände unter schiedlich beeinflußbaren Spulen ist.

Bei derartigen Schwingkreisen ist die Beeinflussung des Schwingkreises abhängig von den elektrischen und magneti schen Eigenschaften des zu detektierenden metallischen Körpers. Ferromagnetische Materialien bedämpfen bei spielsweise den Schwingkreis stärker, da bei ihnen zusätzlich zu den durch die Leitfähigkeit der Metalle verursachten Energieverlusten weitere Energieverluste durch die Umpolung des remanenten Magnetfeldes entstehen, wohingegen paramagnetische Metalle den Schwingkreis zwar weniger stark bedämpfen, jedoch dessen Eigenfrequenz durch die Absenkung der Schwingkreisinduktivität wesent lich stärker erhöhen als ferromagnetische Metalle.

Diese unterschiedliche Beeinflussung des Schwingkreises in Abhängigkeit von den Eigenschaften des herangeführten metallischen Gegenstandes führt zu unterschiedlichen Schaltabständen des Näherungsschalters in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu detektierenden Gegenstandes. Aus dem Stand der Technik sind daher eine Vielzahl von Näherungsschaltern bekannt, welche einen Korrekturfaktor mit dem Wert 1 (Reduktionsfaktor 1) aufweisen. Ein Korrekturfaktor von 1 bedeutet, daß der Schaltabstand des induktiven Näherungsschalters unabhängig davon ist, ob ein den induktiven Näherungsschalter beeinflussender metallischer Ansprechkörper ferromagnetisch oder parama gnetisch ist.

So ist beispielsweise aus der DE 94 12 765 U1 ein Näherungsschalter bekannt, bei welchem eine Sensorspule Teil des Schwingkreises eines freischwingenden Oszilla tors ist. Bei Annäherung eines metallischen Gegenstandes ändern sich die Schwingungsamplitude und Frequenz des Oszillators. Beide Ausgangsgrößen werden unabhängig voneinander ausgewertet und elektronisch so verknüpft, daß das Ergebnis bei ferromagnetischen und nicht ferroma gnetischen, d. h. paramagnetischen, Gegenständen identisch ist.

Aus der EP 0 537 747 A2 geht ein Näherungsschalter hervor, bei dem die Frequenzverschiebung eines Oszilla tors ausgewertet wird, wobei ein frequenzabhängiges RC- Glied im Rückkopplungskreis des Oszillators so abgestimmt wird, daß die Frequenzverschiebung bei ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Gegenständen identisch ist.

Aus der EP 0 393 359 A2 und der DE 39 12 946 A1 sind induktive Näherungsschalter bekannt, die mit einem fremdgespeisten Sensorschwingkreis arbeiten. Dieser Sensorschwingkreis wird aus einem unbeeinflußten Oszilla tor mit der Frequenz gespeist, bei der beim gewünschten Schaltabstand der Betrag der Schwingkreisimpedanz bei ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Auslösern identisch ist.

All diese induktiven Näherungsschalter weisen den Vorteil auf, daß sie jeweils nur eine einzige Sensorspule benötigen. Nachteilig ist es jedoch, daß die Größen absolut gemessen, d. h. mit festen Referenzgrößen ver glichen werden. Dies hat zur Folge, daß das Meßergebnis direkt von den Umgebungsbedingungen abhängt. Insbesondere beeinflussen sich ändernde Umgebungsbedingungen (z. B. die Temperatur) das Meßergebnis des Näherungsschalters direkt. Aus diesem Grunde ist mit diesen Näherungs schaltern nur die Detektion von herangeführten Gegen ständen bis zu kleineren bis mittleren Schaltabständen, maximal bis zum sogenannten Industrie-Standardschalt abstand zuverlässig möglich. Dagegen können diese Näherungsschalter nicht zur Detektion von sehr großen Schaltabständen eingesetzt werden.

Aus der DE 41 20 806 C2 ist ein induktiver Näherungs schalter bekannt, bei dem zur Erzielung gleicher Schalt abstände für ferromagnetische und nicht ferromagnetische Auslöser zusätzlich zu dem eigentlichen Sensorschwing kreis ein unbeeinflußter Referenzschwingkreis eingesetzt wird. Dabei wird die Frequenzänderung in eine Amplituden änderung umgewandelt, womit eine kombinierte Auswertung von Frequenz und Amplitude erreicht wird.

Aus der DE 39 19 916 C2 sowie aus der DE 40 21 164 C1 sind induktive Näherungsschalter bekannt, bei denen der Sensorschwingkreis lose an den Oszillatorschwingkreis gekoppelt ist. Durch geeignete Abstimmung der Schwing kreise können ebenfalls gleiche Schaltabstände bei ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Auslösern erreicht werden.

Aus der DE 43 30 140 A1 ist ein induktiver Näherungs schalter bekannt, bei dem zur Erzielung gleicher Schalt abstände für ferromagnetische und nicht ferromagnetische Auslöser eine transformatorische Kopplung des Sensor schwingkreises und des Referenzschwingkreises verwendet wird.

Zwar ist bei diesen induktiven Näherungsschaltern fre quenzmäßig ein gewisser Gleichlauf der Schwingkreise bei identisch aufgebauten Spulen möglich. Einflüsse auf die Schwingungsamplitude gehen jedoch auch hier direkt in das Meßergebnis ein. Daher sind auch bei diesen induktiven Näherungsschaltern lediglich Schaltabstände bis zum Industrie-Standardschaltabstand möglich.

Induktive Näherungsschalter, welche auch größere Schalt abstände als den Industrie-Standardschaltabstand ermögli chen, gehen z. B. aus der EP 0 479 078 A2 sowie aus der DE 40 31 252 C2 hervor. Bei diesen Näherungsschaltern ist eine Sendespule vorgesehen, die Teil des Schwingkreises eines frei schwingenden Oszillators ist und zwei Emp fangsspulen. Die Differenz der in den Empfangsspulen induzierten Spannungen liefert ein Eingangssignal für den Oszillatorverstärker. Dabei ist der Aufbau der Spulen, d. h. deren Lage und deren Windungszahlen so aufeinander abgestimmt, daß die Differenz der in den Empfangsspulen induzierten Spannungen bei Annäherung des Auslösers an den Schaltabstand Null ist.

Nachteilig bei diesen induktiven Näherungsschaltern ist der hohe konstruktive Aufwand für das drei Spulen umfassende Spulensystem. Um beim Schaltabstand eine Differenzspannung von Null zu erhalten, müssen - wie oben erwähnt - die Windungszahlen der Empfangsspulen und ihre Abstände zueinander sowie in bezug zum Auslöser genau abgestimmt werden. Da die Sendespule auf die Empfangs spulen nicht nur indirekt über den Auslöser, sondern auch direkt auf diese einwirkt, muß darüber hinaus die Lage der Sendespule in bezug auf die Empfangsspulen so abge stimmt werden, daß sich die Einflüsse dieser direkten Einwirkung gegenseitig aufheben. Schließlich ist bei derartigen induktiven Näherungsschaltern kein elek tronischer Abgleich des Schaltabstandes möglich. Ein Abgleich ist lediglich auf mechanische Weise durch Ändern der Abstände und der Windungszahlen und dergleichen möglich.

Aus der DE 33 12 756 A1 geht schließlich ein berührungs los arbeitender Näherungsschalter hervor, bei dem mindestens eine Spule in einer Brückenschaltung angeord net ist. Die Brückenschaltung ist so ausgelegt, daß sie nach Einbauen in ein Gehäuse abgestimmt ist, wobei das Metall des Gehäuses oder sonstiges in der Nähe des Gehäuse befindliches Metall berücksichtigt sind. Nähert sich der Spule ein weiteres Metall, so kommt die Brücken schaltung aus dem Gleichgewicht, was mittels einer Auswerteeinheit festgestellt wird.

Bei einem derartigen Näherungsschalter werden im wesent lichen sowohl der Real- als auch der Imaginärteil der Übertragungsfunktion der Schwingkreisbrücke ausgewertet. Probelmatisch bei einem derartigen Näherungsschalter ist, daß keine Detektion unabhängig von den magnetischen Eigenschaften, d. h. von dem Material der herangeführten Gegenstände möglich ist. So ergeben sich bei ferromagne tischen Materialien andere Schaltabstände als bei para- oder diamagnetischen Gegenständen, die an den Näherungs schalter herangeführt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen induktiven Näherungsschalter der gattungsgemäßen Art derart weiter zubilden, daß mit nur geringem elektrischem und kon struktivem Aufwand eine materialunabhängige Abstands erkennung (Reduktionsfaktor 1) bei großem Schaltabstand in einem weiten Temperaturbereich möglich ist und daß der induktive Näherungsschalter darüber hinaus auf einfache Weise elektronisch abgleichbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem berührungslos arbeitenden Näherungsschalter der eingangs erwähnten Art erfindungs gemäß dadurch gelöst, daß in der Auswerteeinrichtung aus der Brückendiagonalspannung und der Eingangsspannung der Schwingkreisbrücke die Brückenübertragungsfunktion gebildet wird, deren Realteil unabhängig vom Imaginärteil zur Gewinnung des Schaltsignals dient.

Die Auswertung lediglich des Realteils der Schwingkreis brücke ermöglicht auf technisch einfach zu realisierende Weise eine materialunabhängige Abstandserkennung bei großem Schaltabstand und in einem weiten Temperaturbe reich.

Hinsichtlich der Speisung der Schwingkreisbrücke und der Auswertung des Ausgangssignals sind die unterschiedlich sten technischen Realisierungen möglich. So kann bei spielsweise die Schwingkreisbrücke aus einem externen Oszillator gespeist werden und ein gesteuerter Gleich richter zur Auswertung der Brückendiagonalspannung vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, daß die Schwing kreisbrücke selbst als Schwingkreis eines Oszillators dient, dessen Schwingungsamplitude in der Auswerteschal tung ausgewertet wird.

Vorzugsweise ist die Schwingkreisbrücke definiert verstimmt, wobei die Verstimmung durch Kondensatoren unterschiedlicher Kapazitätswerte und/oder durch Spulen unterschiedlicher Induktivitäten erfolgt.

Darüber hinaus ist vorteilhafterweise eine Spule so angeordnet, daß sie von den von außen herangeführten Gegenständen nicht beeinflußbar ist.

Zur Erzielung einer Verbesserung der Abstands-Charak teristik des Oszillators, insbesondere zur Erzielung einer Verbesserung des Ansprechverhaltens des Oszilla tors, kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß zu wenigstens einer Spule und/oder zu wenigstens einem Kondensator des Oszillators jeweils ein Widerstand in Reihe und/oder parallel geschaltet ist.

Hinsichtlich der Ausbildung der die Schwingkreisbrücke als Schwingkreis enthaltenden Oszillatoren sind die unterschiedlichsten Ausführungen denkbar. So kann der Oszillator einen Differenzverstärker aufweisen, dem die Brückendiagonalspannung als Eingangssignal zugeführt ist. Hierdurch wird auf einfache Weise ein Oszillator reali siert, der eine Auswertung der Brückendiagonalspannung ermöglicht.

Eine besonders vorteilhafte Lösung zur Unterdrückung von Gleichtaktanteilen sieht vor, daß der Oszillator eine Gegentaktansteuerung der Schwingkreisbrücke aufweist.

Die Gegentaktansteuerung selbst kann auf unterschiedlich ste Art und Weise realisiert sein. Vorteilhafterweise erfolgt die Gegentaktansteuerung jedoch über wenigstens einen invertierenden und wenigstens einen nicht inver tierenden Verstärker. Hierdurch wird der schaltungs technische Aufwand bei optimaler Gleichtaktunterdrückung klein gehalten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichneri schen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch das Ersatzschaltbild einer in einem erfindungsgemäßen berührungslos arbei tenden Näherungsschalter verwendeten Schwing kreisbrücke;

Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Oszillators unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Schwingkreisbrücke als Schwing kreis;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Oszillators mit Gegentaktansteuerung unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Schwingkreisbrücke als Schwingkreis;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung des in Fig. 3 dargestellten Oszillators; und

Fig. 5 das Wechselstrom-Ersatzschaltbild der in Fig. 4 dargestellten Schaltung.

Die Impedanz einer Spule ändert sich bei Annäherung von ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Auslösern in unterschiedlicher Weise. Beispielsweise steigt bei Annäherung eines ferromagnetischen Auslösers der Realteil der Impedanz stark an, während der Imaginärteil schwach absinkt. Im Gegensatz dazu steigt bei Annäherung eines nicht ferromagnetischen Auslösers der Realteil der Impedanz schwach an, während der Imaginärteil stark absinkt.

Aus Impedanzmessungen an Spulen konnte festgestellt werden, daß diese Zusammenhänge nur bei kleinen Annähe rungsabständen bis etwa zum Industrie-Standardschalt abstand gelten. Bei großen Annäherungsabständen verhält sich der Realteil der Impedanz zwar ähnlich wie bei kleinen Annäherungsabständen, die Änderungen bei nicht ferromagnetischen Auslösern sind jedoch sehr gering. Dagegen ändert sich insbesondere bei höheren Frequenzen der Imaginärteil der Impedanz bei ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Auslösern nahezu in gleicher Weise. Aus diesem Grunde muß bei einem berührungslos arbeitenden, induktiven Näherungsschalter mit material unabhängigen Abstandserkennungen zur Realisierung eines großen Schaltabstands der Imaginärteil der Spulenimpedanz ausgewertet werden. Dieser entspricht bei einer gegebenen Frequenz der Induktivität der Spule.

Im folgenden wird der erfindungsgemäße berührungslos arbeitende Näherungsschalter zur Verdeutlichung seiner Funktionsweise anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den diesen Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden schaltungstechnischen Beziehungen in Form von mathematischen Gleichungen beschrieben.

In Fig. 1 ist das Ersatzschaltbild einer Schwingkreis brücke für einen erfindungsgemäßen induktiven Näherungs schalter dargestellt. Die Schwingkreisbrücke weist zwei verlustbehaftete Spulen L₁, L₂ mit den entsprechenden Verlustwiderständen R₁, R₂ und zwei Kondensatoren C₁, C₂, deren Verluste vernachlässigbar sind, auf.

Die komplexe Übertragungsfunktion A dieser Schwingkreis brücke lautet

A = (U_d)/(U_a) = (Z₁ . Z₄ - Z₂ . Z₃)/((Z₁ + Z₂) . (Z₃ + Z₄)) (1)

wobei mit der Kreisfrequenz ω

Z₁ = R₁ + j . ω . L₁

Z₂ = R₂ + j . ω . L₂

Z₃ = 1/(j . ω . C₁)

Z₄ = 1/(j . ω . C₂) (1a)

sind. Demnach unterscheiden sich Z₃ und Z₄ nur um einen reellen Faktor p:

p = C₁/C₂ = Z₄/Z₃, (2)

so daß sich für die komplexe Übertragungsfunktion ergibt:

A = (1/(p + 1)) . ((p . Z₁ - Z₂)/(Z₁ + Z₂)) (3)

Eine Zerlegung der komplexen Übertragungsfunktion A in ihren Realteil A_r und ihren Imaginärteil A_i ergibt:

A = A_r + jA_i mit

A_r = (1/2 . (R₁ ² - R₂ ² + X₁ ² - X₂ ²)/((R₁ + R₂)² + (X₁ + X₂)²)) + (1/2 . (p - 1)/(p + 1))

A_i = -(R₁ . X₂ - R₂ . X₁)/((R₁ + R₂)² + (X₁ + X₂)²) (4)

mit:

X₁ = ω . L₁, X₂ = ω . L₂ (4a)

Es hat sich nun gezeigt, daß der Realteil A_r der Über tragungsfunktion unter Verwendung der durch Messung ermittelten Spulenimpedanzen die gleiche Abhängigkeit vom Annäherungsabstand aufweist wie der Imaginärteil der Spulenimpedanz.

Dies ergibt sich aus der folgenden Betrachtung. Für Spulen großer Güte, d. h.

X₁ » R₁, X₂ » R₂ (5)

gilt für den Realteil A_r und den Imaginärteil A_i nähe rungsweise

A_r1 = (1/2 . (R₁ ² - R₂ ² + X₁ ² - X₂ ²)/(X₁ + X₂)²) + (1/2 . (p - 1)/(p + 1))

A_i1 = -(R₁ . X₂ - R₂ . X₁)/(X₁ + X₂)² (6)

und unter der weiteren Annahme, daß

X₁ ² - X₂ ² » R₁ ² - R₂ ² (7)

gilt, ergibt sich in einer weiteren Näherung für den Realteil der Übertragungsfunktion

A_r2 = (1/2 . (X₁ ² - X₂ ²)/(X₁ + X₂)²) + (1/2 . (p - 1)/(p + 1))

A_r2 = (1/2 . (X₁ - X₂)/(X₁ + X₂)) + (1/2 . (p - 1)/(p + 1)) (8)

Aus dieser Beziehung ist ersichtlich, daß der Realteil der Übertragungsfunktion dieser Näherung A_r2 eine Funktion des Parameters p und der Imaginärteile X₁, X₂ der Spulen impedanzen ist. Daher ist die Abhängigkeit des Realteils der Übertragungsfunktion A_r2 vom Annäherungsabstand bei einem festen Wert für p lediglich eine Funktion der Abhängigkeit der Imaginärteile der Spulenimpedanzen. Aus der Gleichung (6) geht hervor, daß im Gegensatz dazu der Imaginärteil der Übertragungsfunktion A_i1 eine Funktion sowohl der Realteile als auch der Imaginärteile der Spulenimpedanzen darstellt.

Dies hat zur Folge, daß bei einem berührungslos arbeiten den, induktiven Näherungsschalter mit materialunab hängiger Abstandserkennung und großem Schaltabstand der Realteil A_r der Übertragungsfunktion der Schwingkreis brücke ausgewertet werden muß. Das kann auf mehrere Arten erfolgen.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, daß die Schwing kreisbrücke aus einem externen Oszillator gespeist wird und daß die Auswertung der Brückendiagonalspannung, d. h. des Realteils der Übertragungsfunktion, mit einem gesteuerten Gleichrichter erfolgt.

Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Auswertung ergibt sich jedoch, wenn man die Schwingkreisbrücke selbst als Schwingkreis eines Oszillators verwendet. Bei entsprechender Abstimmung der Schwingkreisbrücke ist damit die Schwingungsamplitude des Oszillators ein Maß für den Realteil der Übertragungsfunktion A_r und damit für den Annäherungsabstand. Die Schwingungsamplitude eines Oszillators kann auf sich bekannte Weise sehr leicht ausgewertet werden.

Ein Ausführungsbeispiel eines Oszillators, bei welchem die Schwingkreisbrücke als Schwingkreis verwendet wird, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.

Ein solcher Oszillator besteht gewöhnlich aus einem Schwingkreis, einem Koppelnetzwerk und einem Verstärker. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Oszillator übernimmt die oben detailliert beschriebene Schwingkreisbrücke 100 die Funktion von Schwingkreis und Koppelnetzwerk gleichzei tig. Die Ausgangsspannung (Brückendiagonalspannung) U_d der Schwingkreisbrücke 100 wird mittels des Verstärkers 200 mit der Verstärkung V verstärkt und als Eingangs spannung U_a an den Eingang der Schwingkreisbrücke 100 zurückgeführt.

Dabei gilt

U_a = V . U_d (9)

und mit Gleichung (1)

U_d = A . U_a (10)

für die Schwingungsbedingung

A . V = 1, (11)

so daß sich bei einer reellen Verstärkung V eine reelle Übertragungsfunktion A ergibt. Wie unter Berücksichtigung der Gleichungen (4a) und (6) deutlich wird, kann diese Bedingung näherungsweise dadurch erfüllt werden, daß man Kondensatoren mit gleichen Kapazitäten C₁ = C₂ verwendet, wohingegen man Spulen mit unterschiedlichen Induktivitä ten L₁ und L₂ wählt. Die Schwingkreisbrücke wird mit anderen Worten definiert verstimmt.

Eine andere Möglichkeit zur Gewinnung einer näherungs weise reellen Übertragungsfunktion A besteht darin, die Schwingkreisbrücke dadurch zu verstimmen, daß Kondensato ren mit unterschiedlichen Kapazitäten C₁, C₂ verwendet werden, wobei in diesem Falle Spulen mit gleichen Induktivitäten L₁, L₂ vorgesehen sind.

Selbstverständlich ist auch eine Kombination beider Möglichkeiten denkbar, d. h. eine definierte Verstimmung der Schwingkreisbrücke durch eine Kombination von Kondensatoren unterschiedlicher Kapazitäten C₁, C₂ und Spulen unterschiedlicher Induktivitäten L₁, L₂.

Als Verstärker können nicht invertierende oder inver tierende Verstärker eingesetzt werden. Die Verstärkung V kann demnach positiv oder negativ sein. Nach der Bezie hung (11) muß dann auch die näherungsweise reelle Übertragungsfunktion A positiv oder negativ sein.

Damit der Oszillator seine Schwingungsamplitude bei Annäherung eines von außen als Auslöser herangeführten Gegenstandes ändert, muß die Übertragungsfunktion A eine Funktion des Annäherungsabstandes s sein:

A = A(s).

Dies ist nur dann der Fall, wenn die beiden Spulen so ausgeführt sind, daß sie in unterschiedlicher Weise vom Auslöser beeinflußt werden. Das kann beispielsweise durch unterschiedliche Abmessungen der Spulen, durch unter schiedliche Ausrichtungen oder unterschiedliche Abstände in bezug zum herangeführten Gegenstand erreicht werden. Möglich ist es auch, eine der beiden Spulen so auszufüh ren, daß sie überhaupt nicht vom herangeführten Gegen stand beeinflußt wird.

Wie aus Gleichung (11) deutlich wird, ändert der Oszilla tor bei einem bestimmten Annäherungsabstand des her angeführten Gegenstands seinen Schwingungszustand. Wird der Betrag von A größer, wächst die Schwingungsamplitude bis zu einer durch die Aussteuerbarkeit des Verstärkers vorgegebenen Grenze. Wird er dagegen kleiner, so klingt die Schwingungsamplitude bis auf Null ab. Ob die Schwin gungsamplitude des Oszillators bei Annäherung des herangeführten Gegenstandes wächst oder fällt, hängt hierbei vom Vorzeichen der Verstärkung ab und davon, welche der beiden Spulen mit der Induktivität L₁ oder L₂ stärker durch den herangeführten Gegenstand beeinflußt wird. Aus einer Kombination der Gleichung (4a) und (8)

A_r2 = (1/2 . (L₁ - L₂)/(L₁ + L₂)) + (1/2 . (p - 1)/(p + 1)) (13)

erkennt man, daß die Übertragungsfunktion A näherungs weise von der Frequenz unabhängig ist. Das bedeutet, daß an die Frequenzstabilität des Oszillators keine besonde ren Anforderungen gestellt werden müssen. Die Über tragungsfunktion bleibt auch näherungsweise konstant, wenn sich die Induktivitäten L₁ und L₂ der Spulen der Schwingkreisbrücke um den gleichen Faktor ändern, beispielsweise infolge sich ändernder Umgebungsbedingun gen des Sensors.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Oszillator wird zur Verstärkung von U_d ein Differenzverstärker 200 verwendet. Dabei ist U_d eine vergleichsweise kleine Spannung, welcher eine vergleichsweise große Spannung U_a/2 über lagert ist. Da der Verstärker 200 nur U_d verstärken soll, muß er daher eine ausreichend hohe Gleichtaktunter drückung besitzen. Diese Gleichtaktunterdrückung erfor dert einen beträchtlichen Schaltungsaufwand des Ver stärkers 200.

Fig. 3 zeigt demgegenüber einen Oszillator, bei dem die Verstärker schaltungstechnisch wesentlich einfacher ausgebildet sein können, da die Schwingkreisbrücke 100 im Gegentakt angesteuert wird. Die Ansteuerung der Schwing kreisbrücke 100 erfolgt hierbei über zwei Verstärker 300, 301. Wie aus der Fig. 3 zu erkennen, ist dabei das Ausgangssignal der Schwingkreisbrücke, die Brückendiago nalspannung, auf das Bezugspotential (Masse) bezogen.

Eine Realisierung mit diskreten elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen einer in Fig. 3 dargestellten entsprechenden Schaltung ist in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Oszillator schaltung mit einer Verstärkerstufe, die durch einen Transistor T₁ gebildet wird, und einer durch einen Transistor T₂ realisierte Ansteuerschaltung für die Schwingkreisbrücke (L₁, C₃, L₂, C₄). Wie insbesondere aus dem in Fig. 5 dargestellten Wechselstromersatzschaltbild der in Fig. 4 dargestellten Schaltung zu erkennen ist, wird die Schwingkreisbrücke (L₁, C₃, L₂, C₄) im Gegentakt angesteuert.

Die Ansteuerschaltung für die Schwingkreisbrücke (L₁, C₃, L₂, C₄) ist dabei als Phasenumkehrstufe ausgeführt. Für die Punkte B und C liegt eine Emitterschaltung vor mit der Verstärkung

V_e = (U_c/U_b) = -(S . Z_c)/(1 + S . Z_e) (14)

wohingegen für die Punkte B und E eine Kollektorschaltung mit der Verstärkung

V_c = (U_e/U_b) = + (S . Z_e)/(1 + S . Z_e) (15)

vorliegt. Hierbei bedeuten S die Transistorsteilheit und Z_c und Z_e die Impedanzen, die an Kollektor und Emitter des Transistors T₂ angeschlossen sind. Bei der Resonanz frequenz der Schwingkreisbrücke treten an die Stelle der Impedanzen die Parallelverlustwiderstände RP₁ und RP₂ der Spulen (vergl. Fig. 5)

V_eo = (U_c)/(U_b) = -(S . RP₂)/(1 + S . RP₁) (16)

V_co = (U_e)/(U_b) = +(S . RP₁)/(1 + S . RP₁) (17)

Wenn man nun davon ausgeht, daß das Produkt aus der Transistorsteilheit und dem Parallelverlustwiderstand RP₁ wesentlich größer als 1 ist, sind die Verstärkungen der Emitter- und Kollektorschaltung bei der Resonanzfrequenz näherungsweise

V_e1 = -RP₂/RP₁ (19)

V_c1 = +1 (20)

d. h. die Verstärkung V_c1 hat den konstanten Wert 1 und die Verstärkung V_e1 hängt nur vom Verhältnis der Parallelver lustwiderstände ab und bleibt damit konstant, wenn sich diese um den gleichen Faktor, beispielsweise infolge sich ändernder Umgebungsbedingungen des Näherungsschalters ändern. Bei Frequenzen oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz geht der Betrag von Z_c und Z_e und damit auch der Betrag von V_e und V_c gegen Null. Der freischwin gende Oszillator schwingt daher mit der Resonanzfrequenz der Schwingkreisbrücke.

Zur Verbesserung der Abstands-Charakteristik des Oszilla tors, insbesondere zur Verbesserung des Ansprechverhal tens des Oszillators, kann darüber hinaus vorgesehen sein, daß zu einer oder beiden Spulen und/oder einem oder beiden Kondensatoren (beispielsweise zu dem Kondensator C₃) des Oszillators jeweils ein Widerstand in Reihe und/oder parallel geschaltet ist (nicht dargestellt).

Der oben beschriebene, berührungslos arbeitende induktive Näherungsschalter hat gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten, welche mit ein oder zwei Spulen arbeiten, den großen Vorteil, daß das Schaltsignal nicht auf Absolutmessungen beruht, sondern näherungsweise auf einem Verhältnis zweier Größen (vergl. die Gleichungen (19) und (20)) bzw. auf dem in Gleichung (13) dargestell ten Realteil der Übertragungsfunktion.

Ein weiterer Vorteil gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten (vergl. z. B. EP 0 479 078 A2, DE 40 31 252 C1) besteht darüber hinaus darin, daß der wegen unvermeidli cher Toleranzen und Streuungen stets erforderliche Abgleich des Schaltabstandes elektronisch erfolgen kann, beispielsweise durch Ändern der Verstärkung des Oszilla torverstärkers.

Schließlich ist der konstruktive Aufwand für das Spulen system bei dem oben vorgestellten induktiven Näherungs schalter wesentlich geringer als bei bekannten Näherungs schaltern (vergl. EP 0 479 078 A2, DE 40 31 252 C1). Bei dem erfindungsgemäßen Näherungsschalter werden nur zwei Spulen benötigt, deren konstruktive Auslegung - wie oben beschrieben - völlig unkritisch ist. Die Funktionsweise des Näherungsschalters ist dabei nicht an eine bestimmte Anordnung der Spulen gebunden. Die Spulen müssen le diglich in unterschiedlicher Weise vom Auslöser beein flußbar sein. Änderungen der Abmessungen, der Lage oder der Ausrichtung der Spulen, die zu einer Änderung der Oszillatoramplitude führen und einen Abgleich erfordern, sind unproblematisch, da ein Abgleich der Oszillatoram plituden ohnehin wegen unvermeidlicher Toleranzen und Streuungen der Bauteile des Näherungsschalters stets notwendig ist und daher keinen zusätzlichen Aufwand bedeutet.

Claims

1. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter mit einem durch von außen herangeführte Gegenstände beeinflußbaren Schwingkreis und mit einer Auswerte einrichtung zur Gewinnung eines Schaltsignals aus einem die Änderung des Schwingungszustands des Schwingkreises beschreibenden Ausgangssignal, wobei der Schwingkreis eine Schwingkreisbrücke mit wenig stens zwei Kondensatoren und wenigstens zwei durch die von außen herangeführten Gegenstände unter schiedlich beeinflußbaren Spulen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinrichtung aus der Brückendiagonalspannung (U_d) und der Eingangs spannung (U_a) der Schwingkreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) die Brückenübertragungsfunktion (A) gebildet wird, deren Realteil (A_r) unabhängig vom Imagi närteil (A_i) zur Gewinnung des Schaltsignals dient.

2. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein externer Oszillator zur Speisung der Schwingkreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) und ein gesteuerter Gleichrichter zur Auswertung der Brückendiagonalspannung (U_d) bzw. des Realteils der Übertragungsfunktion (A_r) vorgesehen sind.

3. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing kreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) als Schwingkreis eines Oszillators dient, dessen Schwingungsamplitude in der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird.

4. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schwingkreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) definiert verstimmt ist.

5. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing kreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) durch Kondensatoren (C₁, C₂; C₃, C₄) unterschiedlicher Kapazität und/oder Spulen (L₁, L₂) unterschiedlicher Induktivität ver stimmt ist.

6. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spulen (L₁, L₂) so ausgelegt und/- oder angeordnet sind, daß sie von den von außen her angeführten Gegenständen unterschiedlich beeinfluß bar sind.

7. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß in Reihe und/oder parallel zu wenig stens einem Kondensator (C₁, C₂; C₃, C₄) und/oder zu wenigstens einer Spule (L₁, L₂) jeweils ein Wider stand geschaltet ist.

8. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Differenzverstärker (200) aufweist, dem die Brückendiagonalspannung (U_d) als Eingangssignal zugeführt ist.

9. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator eine Gegentaktansteuerung der Schwingkreisbrücke (100; L₁, C₃, L₂, C₄) aufweist.

10. Berührungslos arbeitender Näherungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegen taktansteuerung über wenigstens einen invertierenden und wenigstens einen nicht invertierenden Verstärker (301, 300) erfolgt.