DE19850749C1 - Sensor - Google Patents
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Abstract
Der Sensor spricht auf die Annäherung von Metallen an und hat ein axial ausgerichtetes Spulensystem, das innerhalb eines Gehäuses eingebaut ist. Das Spulensystem besteht aus mindestens drei miteinander elektromagnetisch gekoppelten Spulen, wobei eine Spule als Generatorspule und die beiden anderen Spulen als Detektorspulen geschaltet sind. Die Ausgangsspannungen von Detektor- und Generatorspule sind einem Mischer zugeführt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung metallischer Teile, die sich einem
in einem Gehäuse eingebauten Spulensystem von außen annähern und wo das an
den Spulenanschlüssen anliegende Signal zur Bestimmung des Abstandes des
metallischen Teils von der Gehäusewandung genutzt ist.
Sensoren der Eingangs genannten Art, sind als induktive Näherungsschalter aus
unzähligen Anwendungen bekannt. Die grundsätzliche Funktion solcher Sensoren
beruht darauf, daß von einem Spulensystem, daß an eine auswertende Elektronik
angeschlossen ist ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, wobei die
magnetische Komponente dieses elektromagnetischen Feldes wesentlich ist. Werden
metallische Teile in dieses Feld eingebracht, so ergibt sich eine Feldstörung, die
vermittels des Spulensystems auf die Auswerteelektronik zurückwirkt. Aus dieser
Rückwirkung wird durch die Auswerteelektronik ein Signal erzeugt, das für
nachfolgende Steuerungsvorgänge ausgenutzt wird. Bei induktiven
Näherungsschaltern besteht dieses Signal aus einem Schaltvorgang, der dann
ausgelöst wird, wenn ein metallisches Teil einen definierten Abstand, den
Schaltabstand, zu dem Spulensystem aufweist.
In den Schritten DE 40 23 529 C2, DE 40 21 164 C1 sind Näherungsschalter
beschrieben, die als Spulensystem lediglich eine Spule aufweisen, die an einem
Oszillator angeschlossen ist. Die Störung des elektromagnetischen Feldes dieser
Spule beeinflußt den Schwingzustand des Oszillators in der Weise, daß die
Oszillatoramplitude beeinflußt ist.
Der Nachteil solcher Anordnungen besteht darin, daß sowohl der Temperaturgang
des Oszillators wie auch der Temperaturgang des Spulensystems den Schaltabstand
wesentlich beeinflussen, und daher aufwendig kompensiert werden müssen.
In der DE 40 31 252 A1 ist ein induktiver Näherungsschalter beschrieben, in dem ein
Oszillator durch die Beeinflussung eines magnetischen Wechselfeldes über ein
Spulensystem beeinflußt ist. Im Gegensatz zur erstgenannten Technik besteht hier
das Spulensystem aus drei Einzelspulen, die elektromagnetisch miteinander
gekoppelt sind. Der Oszillator ist als Meißneroszillator ausgebildet, wobei die
Rückkopplungsspule dieses Oszillators aus zwei in Serie geschalteten Einzelspulen
besteht, die einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen. Die Schwingung
dieses Oszillators setzt gerade dann ein, wenn die Summenspannung der
Rückkopplungsspule von der induzierten Spannung des Oszillatorschwingkreises
unterstützt wird.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß der Oszillator eine sehr steile
Anschwing-Kennlinie aufweist und so dimensioniert werden kann, daß er nur auf
Wirbelstromrückwirkungen elektrischer leitfähiger Metalle reagiert, die in das
elektromagnetische Feld des Spulensystems eingebracht sind. Nachteilig ist bei
dieser Lösung, daß von dem Oszillator kein kontinuierliches Signal als Maß für den
Schaltabstand abgeleitet werden kann, und daß der Oszillatorschwingkreis für eine
gewünschte Frequenz dimensioniert werden muß, was bei insbesondere tiefen
Frequenzen um 30 kHz dazu führt, daß mit einer hohen Windungszahl gearbeitet
werden muß, um ein geeignetes LC-Verhältnis zu erreichen.
In der DE 39 34 593 A1 ist ein Sicherheitssensor beschrieben, der als induktiver
Näherungsschalter ausgebildet ist der ein Spulensystem aufweist, daß aus drei
Einzelspulen gebildet ist.
Die Spulen sind miteinander magnetisch gekoppelt, wobei eine Spule an einen
Generator angeschlossen ist, während zwei Spulen als Empfangsspulen mit
entgegengesetztem Wicklungssinn in Serie geschaltet an einen Operationsverstärker
angeschlossen sind. Das Spulensystem ist koaxial aufgebaut in der Weise, daß bei
Annäherung eines metallischen Gegenstandes an den stirnseitigen Teil eines
Sensorgehäuses die magnetische Kopplung zwischen Generatorfeld und einer
Detektorspule beeinflußt ist. Durch diese asymmetrische Beeinflussung des
symmetrisch aufgebauten Spulensystems ergibt sich in den Detektorspulen eine
Differenzspannung, die elektrisch verstärkt als Maß für den Schaltabstand des
betätigenden Metalles auswertbar ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin,
daß die Wicklungszahl der Generatorspule unabhängig von der gewünschten
Frequenz wählbar ist und daß ein analoges Ausgangssignal für die Bestimmung des
Schaltabstandes zur Verfügung steht. Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch,
daß bei Anwendung hoher Frequenzen die Amplitudenauswertung allein zu keinem
eindeutigen Zusammenhang zwischen Schaltabstand und Ausgangssignal führt.
Aus den Schriften GB 2137449 A und WO 98/38526 A2 ist es bekannt, nach dem
Radarprinzip arbeitenden Näherungssensoren zu verwenden, die Mischer zur
Signalaufbereitung einsetzen. Bei solchen Systemen müssen jedoch besondere
Maßnahmen getroffen werden, um unerwünschte Signalanteile zu unterdrücken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einem Sensor-Spulensystem, das
mindestens eine generatorbetriebene Generatorspule aufweist, eine Lösung für einen
Sensor, insbesondere einen induktiv arbeitenden Näherungsschalter, anzugeben, der
auch im höheren Frequenzbereich von 100 bis 500 kHz eine eindeutige Zuordnung
des Abstandes eines metallischen Teils zum Sensor-Spulensystem zum elektrischen
Ausgangssignal des Sensors gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Von besonderer Bedeutung ist die Anwendung eines Mischers, der das von einem
Hochfrequenz-Generator an die Generatorspule abgegebene Signal mit dem von der
Detektorspule abgegebenen Signal mischt. Das Spulensystem ist so aufgebaut, daß
das in der Generatorspule, die auch als mehrfache Teilspule ausgebildet sein kann,
erzeugte Feld eine Empfängerspulenanordnung durchflutet. Diese Anordnung ist
vorteilhaft so ausgebildet, daß zwei Einzelspulen in Serie geschaltet sind, die
von dem Feld der Generatorspule so durchflutet sind, daß die in den Einzelspulen
induzierten Spannungen als Spannungsdifferenz der Serienschaltung vorliegen. In
einer einfachen Ausbildung sind die Spulen koaxial hintereinander liegend
angeordnet, wobei die Generatorspule in der Mitte liegt. Eine kostengünstige
Ausbildung der Auswerteschaltung besteht darin, daß der Mischerausgang mit
einem Integrator verbunden ist, der die dort anliegende Wechselspannung in ein
Gleichspannungssignal überführt. Hochfrequente Einflüsse von störenden Feldern
werden auf diese Weise wirksam unterdrückt, weil der Integrator, als Tiefpaß
wirkend, hohe Frequenzanteile unterdrückt. Die Spule kann sehr unterschiedlich
aufgebaut sein, wobei eine äquivalente Funktion darin besteht, daß die zweite und
dritte Spule als Generatorspule und die erste Spule als Detektorspule verwendet ist.
Es ist auch möglich eine Spule als Mehrfachspule so auszubilden, daß die
Einzelspulen in der konzentrischen Gesamtanordnung bei Stromdurchlauf
gleichgerichtete Felder aufweisen. Auf diese Weise ergeben sich Detektor- oder
Generatorspulen, die je nach Anwendung und Anordnung des Spulensystems gleich
oder entgegengerichtete Magnetfelder aufweisen. Die Wicklungszahlen von zwei in
Serie geschalteten Einzelspulen können sowohl gleich wie unterschiedlich sein,
wobei die Wicklungen vorzugsweise auf einem ebenen Träger als flache
Leiterbahnen aufgebracht sind. Als Träger sind insbesondere Leiterplatten aber auch
Folien möglich. Eine günstige Signalauswertung ist dadurch möglich, daß zwei in
Serie geschalteten Spulen, insbesondere die Serienschaltung von zwei
Detektorspulen, vor dem Zusammenschalten eine von 180° abweichende Phasenlage
aufweisen.
Diese Phasenlage wird vorzugsweise dadurch beeinflußt, daß eine der
Detektorspulen (2, 3) mit einer galvanisch getrennten Wicklung elektromagnetisch
gekoppelt ist, an die ein veränderlicher Widerstand angeschlossen ist. Das Mischer-
Ausgangssignal wird vorteilhaft als Maß für den Schaltabstand eines induktiven
Näherungsschalters dadurch ausgewertet, daß der Mittelwert der Amplitude des
Mischer-Ausgangssignals gebildet wird. In einer besonderen Ausführungsform wird
die Phasendifferenz der am Eingang des Mischers anliegenden Spannungen als Maß
für den Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters ausgewertet. In diesem
Fall wird das Mischer-Ausgangssignal als Kenngröße eines Regelkreises genutzt. In
einer anderen Ausbildung ist das erste Mischer-Ausgangssignal einem zweiten
Mischer zugeführt, eine Frequenzauswertung des an einem Mischer anliegenden
Ausgangssignals wird vorteilhaft dadurch realisiert, daß mit mindestens einem
Mischer ein Filter oder ein Bandpaß mit einer Durchlaßfrequenz, die einem
ganzzahligen Vielfachen der Generatorfrequenz entspricht, elektrisch verbunden ist.
Der besondere Vorteil bei der Anwendung von Mischern für induktive
Näherungsschalter besteht insbesondere darin, daß bei der oben angeführten
Zwischenfrequenz-Null-Mischung nach Integration des Mischersignals sofort ein
auswertbares Gleichspannungssignal für die Bestimmung des Schaltabstandes zur
Verfügung steht. Durch die Wahl geeigneter, an den Mischer angeschlossener
Spulensysteme, wird eine hohe Temperaturstabilität und damit eine hohe Stabilität
des von dem Sensor erfaßten Schaltabstandes gewährleistet. Auf diese Weise ist
zudem der Bauelementaufwand und auch der Abgleichaufwand für den Sensor
wesentlich reduziert, so daß ein mit einem Mischer versehener Näherungsschalter
sehr kostengünstig hergestellt werden kann.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher beschrieben.
In Fig. 1 ist der Aufbau eines Sensors gezeigt. Die Generatorspule 1 ist
elektromagnetisch mit den Detektorspulen 2, 3 gekoppelt. Die Detektorspulen sind
in der Weise in Serie geschaltet, daß die in ihnen von der Generatorspule 1
induzierten Spannungen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, so daß an dem
Anschlußpunkt 5, 6 der Detektorspulen die Differenz der induzierten Spannungen
anliegt. Dies wird dadurch realisiert, daß die Spulen 2, 3 einen entgegengesetzten
Wicklungssinn aufweisen, in Serie geschaltet sind und von dem Feld der
Generatorspule gleichsinnig durchflutet sind. Die Generatorspule ist an dem
Anschlußpunkt 4 mit dem Generator 7 verbunden. Die Differenzspannung ist einem
Vorverstärker 8 zugeführt. Das Generatorsignal und das vorverstärkte
Differenzsignal sind an die Mischeingänge eines Vier-Quadranten-Mischers 9
(Double-Balanced-Mixer) angeschlossen. Die Mischprodukte des Mischers sind
einer Auswerteelektronik 10 zugeführt. Das den Schaltabstand des betätigenden
Metalles 14, hier als Metallblech in der seitlichen Ansicht dargestellt, zum
Spulensystem beschreibende Ausgangssignal der Auswerteelektronik steht am
Ausgang 12 zur Verfügung. Die Auswerteelektronik weist einen Integrator und/
oder in einer besonderen Ausführungsform ein Bandpaß auf, dessen
Durchlaßmittenfrequenz dem Wert der doppelten Generatorfrequenz entspricht. Zur
Erhöhung der Störsicherheit kann innerhalb der Auswerteelektronik ein zweiter
Mischer eingesetzt sein, der einerseits mit dem Ausgangssignal des Generators 7 und
andererseits mit dem ersten Mischer 9 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt die Spulenanordnung in ihrer seitlichen Ansicht. Die Generatorspule 1
ist zwischen den Detektorspulen 2, 3 angeordnet. Die Detektorspulen 2, 3 sind in
Serie geschaltet in der Weise, daß die von der Generatorspule 1 induzierten
Spannungen der Einzelspulen gegenphasig sind.
In Fig. 3 ist eine Generatorspule 1 dargestellt, die auf eine Leiterplatte 15 als
Leiterbahn aufgebracht ist. Diese Spule kann sowohl spiralförmig, wie auch
konzentrisch, mit verbindenden Leiterbahnzügen für die einzelnen Teilkreise
ausgebildet sein.
In Fig. 4 ist ein Spulensystem dargestellt, daß aus zwei gleichartig ausgeführten
Leiterplatten 15 besteht, wobei auf jeder einzelnen Leiterplatte eine Generatorspule
und eine Detektorspule aufgebracht sind. Die Spulen auf den beiden Leiterplatten sind
so miteinander verbunden, daß durch Klappen der Leiterplatten in die Ebene hinein
oder aus der Ebene heraus bis zur Parallellage die miteinander in Serie geschalteten
Spulen einen gleich- oder entgegengesetzten Wicklungssinn erhalten. Der
Wicklungssinn kann auch dadurch verändert werden, daß Spulen-
Verbindungspunkte miteinander gekreuzt 18 sind. In dieser Anordnung sind die
Generatorspulen 1 im Zentrum der Detektorspulen 2, 3 angeordnet. Es ist auch
möglich, die Anordnung zu vertauschen, so daß die Detektorspulen zentral
angeordnet sind. Die Leiterbahnen können doppelseitig, auf einer Leiterplatte
aufgebracht sein.
Fig. 5 zeigt eine auf einer Leiterplatte 15 aufgedruckte Spulenanordnung, die eine
Detektorspule 3 und eine Zusatzspule 16, die aus nur einer Windung bestehen kann,
aufweist. An die Anschlußpunkte der Spule 16 ist eine Kurzschlußbrücke,
vorzugsweise ein veränderlicher Widerstand, geschaltet dessen Wert bis auf Null
Ohm reduziert werden kann. Durch diesen Widerstand wird die Gesamtkennlinie
des Spulensystems und der Schaltabstand des Näherungsschalters beeinflußt.
In den Fig. 2 und 4 ist nicht dargestellt, daß die Zwischenräume zwischen den
zueinander parallel verlaufenden Spulen vorzugsweise durch Hartschaumplatten
ausgefüllt sind, wodurch sich eine sehr stabile Ausführung der Spulenanordnung
ergibt.
Claims (12)
1. Induktiv arbeitender, auf die Annäherung von Metallteilen ansprechender Sensor,
mit einem axial ausgerichteten Spulensystem, das innerhalb eines Gehäuses
eingebaut ist, mit mindestens drei miteinander elektromagnetisch oder magnetisch
gekoppelten Spulen, wobei die zweite und die dritte Spule als Detektorspule so in
Serie geschaltet sind, daß sich die Differenzspannung der in beiden Spulen
anliegenden Einzelspannungen ergibt, und mit einer an einen Hochfrequenz-
Generator angeschlossenen ersten Spule als Generatorspule, dadurch
gekennzeichnet, daß das an der Detektorspule und an der Generatorspule anliegende
Signal einem Mischer zugeführt ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer ein Vier-
Quadranten-Mischer ist und/oder daß an den Mischer ein Integrator angeschlossen
ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule als
Detektorspule und die zweite und dritte Spule als Generatorspule geschaltet ist,
wobei die Felder der zweiten und dritten Spule zueinander entgegengerichtet sind.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Spule zwischen der zweiten und der dritten Spule angeordnet ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
und dritte Spule dieselben Wicklungszahlen aufweisen und/oder
entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
eine Spule auf einem ebenen Träger, vorzugsweise auf eine Leiterplatte, als flache
Leiterbahn aufgebracht ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der
ersten Spule in der zweiten und dritten Spule induzierten Wechselspannungen bei
Nichterfassung metallischer Teile eine von 180° abweichende Phasenlage
aufweisen.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die am
Ausgang des Mischers anliegende Amplitude, insbesondere ihr Mittelwert, als Maß
für den Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters ausgewertet ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Phasendifferenz der am Eingang des Mischers anliegenden Spannungen als Maß für
den Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters ausgewertet ist.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste
Mischer-Ausgangssignal einem zweiten Mischer zugeführt ist.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß mit
mindestens einem Mischer ein Filter und oder ein Bandpaß mit einer
Durchlaßmittenfrequenz, die einem ganzzahligen Vielfachen der Generatorfrequenz
entspricht, elektrisch verbunden ist.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Spulensystem, insbesondere eine der Detektorspulen (2, 3), mit einer galvanisch
getrennten Wicklung elektromagnetisch gekoppelt ist, die kurzgeschlossen oder an
die ein veränderlicher Widerstand angeschlossen ist.
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