DE19614457C2 - Elektronischer Näherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Nähe­ rungsschalter mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Näherungsschalter dieser Art werden u. a. genutzt, um die Position von Gegenständen festzustellen. Sie ändern ihren Schaltzustand, wenn unterschiedlich positionierbare An­ ordnungen sich im Raum relativ zu einem Schaltergehäuse bewegen. Beispielsweise wird die Änderung der Induktion einer Spule durch Bewegen eines Körpers aus Metall im Be­ reich der Spule ausgenutzt, um Schaltzustände zu generie­ ren. Andererseits existieren im Stand der Technik auch kapazitive, optische oder auf Magnetfelder reagierende Näherungsschalter. Die letztgenannten Näherungsschalter beinhalten den Halleffekt nutzende Sensoren.

In einem stromdurchflossenen Leiter bestimmten Materials wird eine Hall-Spannung erzeugt, wenn etwa rechtwinklig zur Stromflußrichtung ein Magnetfeld einwirkt. Die Rich­ tung der Hall-Spannung ist abhängig von der Richtung des Stromes und der Richtung des Magnetfeldes. Eine Grund­ spannung wird beispielsweise meßbar angehoben, wenn der Nordpol eines Einzelmagneten in den Bereich des Sensors gebracht wird und meßbar abgesenkt, wenn sich der Südpol des Magneten dort befindet. Es sind Hall-Generatoren (mit elektronischen Schaltungen kombiniert) als Bauelemente allgemein verfügbar. Bei einer realisierten Bauform wer­ den digitale Signale ausgegeben, so daß erkennbar ist, daß ein Einzelmagnet Einfluß hat oder nicht. Je nach Ein­ baurichtung erfolgt eine Schaltung des Signalausganges bei Einfluß des Nordpols oder des Südpols eines Magneten. Andererseits sind auch analoge Hall-Generatoren verfüg­ bar. Hier ist mit Hilfe aufwendiger Auswerteschaltungen erkennbar, welcher der beiden Magnetpole Einfluß hat, wo­ durch zwei Schaltausgänge schaltbar sind. Diese analogen Hall-Generatoren haben den Vorteil, daß nur ein Nähe­ rungsschalter zur eindeutigen Feststellung zweier Zustän­ de nötig ist.

Dieser Vorteil wird genutzt bei dem Näherungsschalter nach DE 40 06 596 A1, wo zwei analoge Hall-Sensoren vor­ gesehen sind. Für jeden dieser Sensoren ist feststellbar, ob ein Nord- oder ein Südpol von Magneten jeweils Einfluß hat. Die vorhandene Auswerteschaltung ist jedoch aufwen­ dig.

Ein anderer Hall-Näherungsschalter ist in der DE 43 33 395 A1 beschrieben. Auch hier sind mehrere Schaltstellungen mit Hilfe einer aufwendigen Auswerteschaltung generier­ bar, wobei die vergleichsweise große Bauweise Nachteile mit sich bringt.

Um zwei Positionen eines Gegenstandes (Beispiel: Auf- und Zu-Stellung einer Absperrung oder eines Ventils) sicher zu erkennen, können einerseits zwei Näherungsschalter in­ stalliert werden. Ein detektierbarer Gegenstand wird ent­ weder in den Bereich des einen oder des anderen Nähe­ rungsschalters bewegt. Andererseits ist es möglich, mit Hilfe nur eines Näherungsschalters zwei unterscheidbare Anordnungen zu erkennen, wovon sich entweder die eine oder die andere im Bereich des Näherungsschalters befin­ det. Als unterscheidbare Anordnungen werden billige Einzelmagnete bevorzugt, von denen je nach Position des Ge­ genstandes ein Magnet mit dem Nordpol oder ein anderer mit dem Südpol auf den Näherungsschalter gerichtet sein kann. Die zu diesem Näherungsschalter gehörende aufwen­ dige Auswerteschaltung beeinflußt die Kosten dieser Lö­ sung jedoch negativ.

Es ist Aufgabe der Erfindung, mit geringem Aufwand einen universell einsetzbaren und baulich kleinen Näherungs­ schalter der letztgenannten Art (bipolar) zu schaffen, so daß zumindest zwei Positionen eines Körpers eindeutig de­ tektierbar und dementsprechende Schaltsignale generierbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich der erfindungsge­ mäße elektronische Näherungsschalter durch die im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Einzelheiten der Er­ findung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 6.

Zur Feststellung zweier Positionen eines Gegenstandes kommen keine analogen Hall-Generatoren mit aufwendigen Auswerteschaltungen zur Anwendung, sondern Sensoren, die den Halleffekt nutzen, werden paarweise auf ein und den­ selben Bereich eines Schaltergehäuses (Empfangsbereich) ausgerichtet. Damit werden diese beiden Sensoren eines Paares etwa gleichsam von Magnetfeldern im Bereich des Schaltergehäuses beeinflußt. Die Anordnung bzw. Beschal­ tung der beiden Sensoren erfolgt jedoch derart, daß ihre Ausgangssignale von einem Magnetfeld in unterschiedlicher Richtung beeinflußt wird. In einem der Sensoren wird der Betrag einer Hall-Spannung angehoben, wenn der Nordpol eines Einzelmagneten Einfluß hat und in dem anderen Sen­ sor wird dieser Betrag bei Einfluß eines Südpols erhöht. Je Sensor wird nur ein Signal generiert, was ohne aufwen­ dige Auswerteschaltungen möglich ist. Damit sind vom Nä­ herungsschalter zwei Ausgangssignale je Sensorpaar generierbar. Der Aufwand ist im Vergleich zu Näherungsschal­ tern, die analoge Hall-Generatoren nutzen, gering.

Das genannte Verhalten der Sensoren ist erreichbar, indem entweder einer den Sensoren um 180° um eine senkrecht zur Magnetfeldachse stehende Gerade gedreht wird. Bei Anwen­ dung käuflicher Hall-Generatoren (Verbindung eines Sen­ sors mit einer Schaltung zur Ausgabe eines digitalen Si­ gnals) wird ein verdrehter Hall-Generator beispielsweise ein Signal ausgeben, wenn ein Südpol eines Einzelmagneten einwirkt und der andere Hall-Generator gibt kein Signal aus. Bei Einwirkung eines Nordpols eines Einzelmagneten ist dies dann umgekehrt. Ein gleicher Effekt ist auch er­ reichbar, wenn zwei Hall-Generatoren zwar identisch ange­ ordnet, aber so beschaltet werden, daß relativ zueinander ein umgekehrter Stromfluß erfolgt.

Der elektronische Näherungsschalter weist zwei Schaltaus­ gänge auf, wobei je einer dieser Ausgänge ein eindeutiges Signal führt, wenn ein Nord- oder ein Südpol eines Ein­ zelmagneten Einfluß hat.

Der in dem Näherungsschalter integrierte elektrische Schaltkreis umfaßt neben den die Hall-Sensoren beinhal­ tenden Teilen eine Spannungsversorgungsschaltung und eine Stromüberwachungsschaltung. Über drei optische Anzeige­ elemente wird einerseits angezeigt, daß der Näherungs­ schalter ordnungsgemäß angeschlossen ist (wobei durch Blinken dieser Anzeige ein Kurzschluß signalisiert wird), und andererseits ist ersichtlich, welcher der Schaltaus­ gänge ein aktives Signal führt. Diese Anzeigeelemente sind im Gehäuse des Näherungsschalters anzuordnen, so daß vor Ort eine eindeutige Funktionsprüfung erfolgen kann.

Die detaillierte Beschreibung der Erfindung erfolgt an­ hand eines Ausführungsbeispiels. Von den zugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: einen elektronischen Näherungsschalter in perspektivischer Übersichtsdarstellung,

Fig. 2: einen im Näherungsschalter nach Fig. 1 inte­ grierten elektrischen Schaltkreis,

Fig. 3: eine schematische Darstellung zweier Anord­ nungsvarianten der Hall-Sensoren innerhalb des Näherungsschalters nach Fig. 1,

Fig. 4: ein Diagramm zur qualitativen Verdeutlichung des Schaltungsverhaltens des Näherungsschal­ ters nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Näherungsschalter 1 mit etwa zylinder­ förmigem Schaltergehäuse 2 verdeutlicht. Es handelt sich um ein standardisiertes Schaltergehäuse 2, welches auch anders (je nach Erfordernis) ausgebildet sein kann. An einer Stirnseite des Gehäuses 2 ist ein Bereich 3 vorge­ sehen, der als Fenster zum Einlaß von Magnetfeldern B in das Schaltergehäuse 2 ausgebildet ist. An der anderen Seite des Gehäuses 2 ist der Näherungsschalter 1 mittels eines Steckverbinders 4 an eine nicht gezeigte Steuerung oder Regelung angeschlossen. Durch den Steckverbinder 4 werden vier elektrische Leitungen 5 bis 8 kontaktiert, wobei zwei der Leitungen 5, 6 zur Spannungsversorgung dienen und die beiden anderen Leitungen 7, 8 Schaltaus­ gänge A1, A2 des Näherungsschalters 1 mit der Steuerung oder Regelung verbinden.

Im hinteren Bereich des Näherungsschalters 1 sind im Ge­ häuse 2 drei optische Anzeigeelemente D_rt, D_gn, D_ge ange­ ordnet, die im Betrieb Licht unterschiedlicher Farbe aus­ strahlen. Das Anzeigeelement D_ge (gelb) dient als Be­ triebszustandsanzeige, das Anzeigeelement D_rt (rot) ist aktiv, wenn der Schalterausgang A1 (Leitung 7) ein aktives Signal führt und das Anzeigeelement D_gn strahlt grü­ nes Licht aus, wenn der Schaltausgang A2 (Leitung 8) ein aktives Signal führt.

Der Näherungsschalter 1 beinhaltet einen im Gehäuse 2 in­ tegrierten Schaltkreis, der in Fig. 2 verdeutlicht ist. Der Schaltkreis besteht aus den Abschnitten:
U - Spannungsversorgung mit Verpolungsschutz,
V - Stromüberwachung;
W - Überstromabschaltung und Betriebszustandsanzeige;
X - Sensor Nordpol;
Y - Sensor Südpol.

Dem Abschnitt U wird über die Leitungen 5, 6 eine elek­ trische Spannung zugeleitet, welche hier u. a. mittels Stabilisator 9 stabilisiert wird. Im Abschnitt V wird der elektrische Strom überwacht, der über die Schaltausgänge A1, A2 fließt, wodurch eine Kurzschlußerkennung möglich ist. Der Schaltungsabschnitt W bewirkt eine Abschaltung der Ausgänge A1, A2, wenn ein Überstrom ermittelt wurde. Dieser Abschnitt W beinhaltet einen Taktgenerator 10 so­ wie das optische Anzeigeelement D_ge zur Betriebszustands­ anzeige. Das Anzeigeelement D_ge leuchtet bei angeschlos­ sener Spannungsversorgung und ordnungsgemäßem Betrieb des Näherungsschalters 1. Wird ein Überstrom an den Ausgängen A1 oder A2 ermittelt, erfolgt eine Abschaltung dieser Ausgänge A1, A2 für die Dauer eines Taktes, wobei auch das Anzeigeelement D_ge erlischt. Danach werden die Aus­ gänge A1, A2 erneut freigegeben und ein erneuter Über­ stromtest erfolgt. Bei Kurzschluß eines Ausganges A1, A2 ist ein Blinken der Anzeige D_ge die Folge, was beim An­ schluß des Näherungsschalters sofort vor Ort erkennbar ist. Andererseits könnte bei anderer Ausführung der Er­ findung auch ein Kurzschluß eines der Ausgänge A1, A2 durch Blinken der Anzeigeelemente D_rt, D_gn angezeigt wer­ den.

Die Abschnitte X und Y des Schaltkreises beinhalten je­ weils einen Hall-Generator 11, 12, welche in Fig. 2 nur andeutungsweise gezeigt sind. Die Hall-Generatoren 11, 12 sind als integrierte Schaltkreise erhältlich und reagie­ ren durch Aussenden einer Signalspannung auf das Vorhan­ densein eines Magnetfeldes B bestimmter Stärke und Rich­ tung. Sie haben also je einen digitalen Ausgang 13, 14. Die genannte Signalgenerierung ist möglich, da die Hall- Generatoren 11, 12 einen auf Magnetfelder B reagierenden Sensor H1, H2 beinhalten, deren Funktionsweise in der einleitenden Beschreibung erläutert wurde.

Die Hall-Generatoren 11, 12, insbesondere ihre Sensoren H1, H2 sind auf ein und denselben Bereich 3 des Schalter­ gehäuses 2 ausgerichtet und werden somit etwa gleichsam von Magnetfeldern B beaufschlagt, die von Einzelmagneten in der Nähe dieses Bereiches 3 erzeugt werden. Die Anord­ nung der Hall-Generatoren 11, 12 wurde jedoch derart ge­ wählt, daß eine entgegengesetzte Beeinflussung der Senso­ ren H1, H2 von einem Magnetfeld B erfolgt, was schema­ tisch in Fig. 3 verdeutlicht ist. Es bestehen prinzipiell zwei Möglichkeiten, um dies zu erreichen:

• a) Verdrehen eines Hall-Sensors H1 oder H2 um 180° um eine senkrecht zur möglichen Magnetfeldrichtung ge­ legenen Achse 15, 16 oder
• b) unterschiedliche Beschaltung der Sensoren H1, H2, so daß entweder eine Hall-Trägerspannung U_H1, U_H2 oder ein Strom I_H1, I_H2 in unterschiedlicher Richtung durch den Sensoren H1, H2 fließt.

Bei Nutzung von Hall-Generatoren 11, 12 besteht nur die Möglichkeit a), da eine unterschiedliche Beschaltung der Hall-Sensoren H1, H2 dort nicht möglich ist.

In Fig. 3a ist gezeigt, daß ein Sensor H2 um 180° um die Achse 15 relativ zum Sensor H1 verdreht wurde, womit die Hall-Trägerspannung U_H2 in entgegengesetzter Richtung zu U_H1 fließt. Ein Magnetfeld B wirkt auf beide Sensoren H1, H2 ein. Die Hall-Trägerspannung U_H1 (positiv angenommen) wird erhöht, wenn der Nordpol N eines Einzelmagneten ein­ wirkt und verringert, wenn sich der Südpol S eines Ein­ zelmagneten im Einflußbereich 3 befindet. Die Hall-Trä­ gerspannung U_H2 fließt in die andere Richtung (ist also hier negativ anzunehmen) und wird gleichsam beeinflußt. Der Betrag der Hall-Trägerspannung U_H2 wird also entge­ gengesetzt zum Betrag der Hall-Trägerspannung U_H1 beein­ flußt. Damit führt der Ausgang 13 des Hall-Generators 11 ein Signal, wenn ein Nordpol N einwirkt, was zur Folge hat, daß der Signalausgang A1 des Schaltkreises (Ab­ schnitt X) ein Signal führt und das Anzeigeelement D_rt leuchtet. Der Ausgang 14 des Hall-Generators 12 führt ein Signal, wenn der Südpol S Einfluß hat. Dadurch wird ein Signal auf den Schaltausgang A2 gelegt und das Anzeige­ element D_gn leuchtet. Je nach Magnetfeldrichtung (Nordpol N oder Südpol S eines Einzelmagneten befindet sich im Be­ reich 3) schaltet nur jeweils einer der Schaltausgänge A1, A2 ein aktives Signal, ohne daß analoge Hall-Genera­ toren mit aufwendigen Auswerteschaltungen zu nutzen sind.

In Fig. 3b ist gezeigt, daß die Hall-Trägerspannung U_H1, U_H2 auch gleichgerichtet sein kann, jedoch die Hall-Sen­ soren H1, H2 in unterschiedlicher Richtung von Strom I_H1, I_H2 durchflossen werden. Dies kann durch 180°-Drehung des Hall-Generators H2 um die Achse 16 oder durch unter­ schiedliche Beschaltung (wenn möglich) erfolgen. Der Ef­ fekt und die Art und Weise der Generierung von Signalen der Schaltausgänge A1, A2 ist vergleichbar mit dem vorab beschriebenen. Dies ist nochmals in Fig. 4 verdeutlicht, wo im Diagramm gezeigt ist, daß von der Zeit t₁ bis t₂ der Nordpol N im Bereich 3 des Näherungsschalters 1 wirkt (in Fig. 1 fett gezeichnet) und von der Zeit t₃ bis t₄ der Südpol S eines Einzelmagneten im Bereich 3 aktiv ist (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt).

Werden an einem Gegenstand 17, dessen Position zu überwa­ chen ist, zwei Einzelmagnete angeordnet, so daß ein Nord­ pol N und ein Südpol S in den Bereich 3 des Näherungs­ schalters 1 gelangen kann, sind zwei Positionen des Ge­ genstandes 17 exakt erkennbar und unterscheidbar (Bei­ spiel: Auf-Zu-Stellung einer Absperrung oder eines Ven­ tils . . .). Es ist nur ein einfach aufgebauter Näherungs­ schalter 1 erforderlich, der nur mit einem Steckverbinder 4 zu kontaktieren ist. Somit reduziert sich auch der Ver­ kabelungsaufwand im Vergleich zur Verwendung zweier Nähe­ rungsschalter, die die Position einer einzigen Anordnung erfassen, wie dies oft noch üblich ist. Der Näherungs­ schalter 1 ist trotz Verwendung zweier Hall-Generatoren 11, 12 billiger als ein Analogtechnik nutzender Nähe­ rungsschalter.

Der Näherungsschalter 1 ist verpolungs- und kurzschluß­ sicher und für nahezu unbegrenzte Anwendungen geeignet. Es besteht die Möglichkeit, zwei oder mehr der beschrie­ benen Näherungsschalter mit jeweils paarweiser Sensoran­ ordnung in einem Gehäuse zu kombinieren und damit mehr als zwei Positionen eines Gegenstandes zu erkennen (wie in der DE 40 06 596 A1 beschrieben).

Claims (6)

1. Elektronischer Näherungsschalter (1) mit einem in ein Schaltergehäuse (2) integrierten Schaltkreis, der den Halleffekt nutzende Sensoren (H1, H2) und eine Auswerteschaltung enthält, wobei die Sensoren (H1, H2) in Abhängigkeit vom Vorhandensein und der Richtung von Magnetfeldern (B), welche von Einzel­ magneten im Bereich des Schaltergehäuses (2) erzeugt werden, Signale an die Auswerteschaltung abgeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (H1, H2) paarweise auf ein und denselben Bereich (3) des Schaltergehäuses (2) ausgerichtet und damit in annä­ hernd gleichem Maß von den Magnetfeldern (B) beauf­ schlagt werden, wobei die Sensoren (H1, H2) eines Paares jedoch derart angeordnet oder beschaltet sind, daß ihre Signale von einem Magnetfeld (B) be­ stimmter Richtung entgegengesetzt beeinflußt werden.

2. Elektronischer Näherungsschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (H1, H2) eines Paares gleich beschaltet, jedoch um 180° um eine quer zu möglichen Magnetfeldrichtungen ausge­ richtete Achse (15; 16) verdreht zueinander angeord­ net sind.

3. Elektronischer Näherungsschalter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (H1, H2) eines Paares gleich ausgerichtet in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet, jedoch derart beschaltet sind, daß ein Stromfluß in den Sensoren (H1, H2) in entgegengesetzter Richtung erfolgt.

4. Elektronischer Näherungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei Schalt­ ausgänge (A1, A2), wovon jeweils einer einem der Sensoren (H1, H2) zuzuordnen ist, wobei nur jeweils einer der Schaltausgänge (A1, A2) ein aktives Signal ausgibt, wenn sich entweder ein Nordpol (N) oder ein Südpol (S) eines Einzelmagneten im Bereich (3) des Schaltergehäuses (2) befindet.

5. Elektronischer Näherungsschalter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch drei opti­ sche Anzeigeelemente (D_ge, D_rt, D_gn), die selektiv ak­ tiviert werden:

• a) wenn der Näherungsschalter (1) aktiv, d. h. ordnungsgemäß angeschlossen und mit elektri­ scher Spannung beaufschlagt ist,
• b) wenn sich der Nordpol (N) eines Einzelmagne­ ten im sensiblen Bereich (3) des Schalterge­ häuses (2) befindet oder
• c) wenn sich der Südpol (S) eines Einzelmagne­ ten im sensiblen Bereich (3) des Schalterge­ häuses (2) befindet.

6. Elektronischer Näherungsschalter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der integrierte Schaltkreis eine Spannungsversorgungsschaltung mit Verpolungsschutz sowie eine Stromüberwachungsschal­ tung mit Überstromabschaltung umfaßt, wobei bei ei­ nem Kurzschluß von Schaltausgängen (A1, A2) eine op­ tische Anzeige über zumindest eines der Anzeigeele­ mente (D_ge) erfolgt.