DE19946917A1

DE19946917A1 - Näherungssensor mit geringer Leistungsaufnahme

Info

Publication number: DE19946917A1
Application number: DE1999146917
Authority: DE
Inventors: Philippe Pretre; Thomas Kleiner; Daniel Matter; John Anthony Byatt
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-12
Also published as: AU6423000A; WO2001024365A1

Abstract

Ein erfindungsgemäßer Näherungssensor weist eine Energieversorgungseinheit (1), eine Schalteinheit (2) und eine Sensoreinheit (3) auf, wobei die Sensoreinheit (3) eines oder mehrere Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteuerung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von relevanten physikalischen Größen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeugung von Messdaten aufweist, und wobei die Schalteinheit (2) die Sensoreinheit (3) intermittierend mit der Energieversorgungseinheit (1) verbindet. Dadurch wird es möglich, bestehende Sensoreinheiten (3) ohne oder nur mit geringen Anpassungen in einer energiesparenden Weise einzusetzen. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßer Näherungssensor eine drahtlose Speisung und eine drahtlose Übermittlung von Messdaten auf. In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird sie für Näherungsschalter eingesetzt. Vorzugsweise sind die Näherungsschalter induktive, kapazitive, photoelektrische oder Ultraschall- oder Hall-Sensoren.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensortechnik, insbesondere der Näherungssensoren. Sie bezieht sich auf einen Näherungssensor und ein Verfahren zum Betrieb eines Näherungssensors mit geringer Leistungsauf nahme gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 8.

Stand der Technik

Sensoren, insbesondere Näherungssensoren sind allgemein bekannt und werden zur Bestimmung von Betriebszuständen in Automatisierungsanlagen, Fertigungssystemen und verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Nähe rungssensoren erlauben eine Messung von Positionen von Werkstücken oder Maschinenteilen, oder eine Messung von Flüssigkeitsniveaux in Behältern. Näherungsschalter erlauben eine Detektion einer An- oder Abwesenheit von Werkstücken, Maschinenteilen oder Flüssigkeiten. Zur Messung und Über mittlung der Betriebszustände wird Energie benötigt, die meist über Kabel übertragen wird. Um diese Verkabelungen zu eliminieren, was grosse Vor teile bringt, wenn eine Anlage eine Vielzahl von Sensoren oder Schaltern aufweist, kann die Übermittlung der Betriebszustände drahtlos erfolgen. Stehen keine Kabel zur Energieversorgung oder Speisung eines Sensors zur Verfügung, muss sichergestellt sein, dass der Sensor äussert energiesparend betrieben wird, das heisst, dass er einen durchschnittlichen Energiever brauch im Bereich von wenigen Milliwatt aufweist.

Die US Patentschrift 5,832,772 beschreibt einen Näherungssensor, welcher elektromagnetische Wellen im Bereich von 100 MHz bis 1 GHz abstrahlt und eine eigens dafür ausgelegte Schaltung aufweist, welcher einen Transistor in einer Colpitt's-Konfiguration nur intermittierend oszillieren lässt. Die Schal tung, welche auch eine Auswertung eines Oszillatorsignals beinhaltet, weist jedoch dauernd einen gewissen Energieverbrauch auf.

Die Offenlegungsschrift DE 33 18 900 A1 zeigt einen Näherungsschalter, dessen Schwingkreis durch einen kurzen Spannungsimpuls angeregt wird. Auch hier weist eine Ansteuer- und Auswerteschaltung einen ständigen Energieverbrauch auf.

Die ganze Funktionalität eines Sensors, das heisst beispielsweise eine Anre gung eines Schwingkreises, eine Messung von Spannungswerten und eine Auswertung der Messung, wird heute in einem einzigen integrierten Bauteil (IC) angeboten. Dieses wird für eine Verwendung lediglich um eine Energie versorgung und, je nach Typ des Sensors, um eine zusätzliche Beschaltung wie einen Schwingkreis ergänzt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Näherungssensor und ein Verfahren zum Betrieb eines Näherungssensors mit geringer Leistungsaufnahme der ein gangs genannten Art zu schaffen, so dass bestehende Sensorbauelemente mit möglichst geringen Modifikationen verwendbar sind.

Diese Aufgabe lösen ein Näherungssensor und ein Verfahren zum Betrieb ei nes Näherungssensors mit geringer Leistungsaufnahme mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8.

Der erfindungsgemässe Näherungssensor weist eine Energieversorgungsein heit, eine Schalteinheit und eine Sensoreinheit auf, wobei die Sensoreinheit eines oder mehrere Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteuerung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von relevanten physikalischen Grössen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeugung von Messdaten aufweist, und wobei die Schalteinheit die Sensoreinheit intermittierend mit der Energiever sorgungseinheit verbindet.

Erfindungsgemäss wird also die gesamte Sensoreinheit intermittierend ge speist, so dass der Energieverbrauch der ganzen Sensoreinheit und nicht nur von Sensorelementen minimiert wird. Die Erfindung hat weiter den Vorteil, dass bestehende, beispielsweise kommerziell erhältliche Sensoreinheiten ohne oder nur mit geringen Anpassungen in einer energiesparenden Weise einsetzbar sind.

Vorzugsweise weist ein erfindungsgemässer Näherungssensor eine drahtlose Speisung und eine drahtlose Übermittlung von Messdaten auf.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Näherungssensor ein Näherungsschalter. Vorzugsweise ist der Sensor ein induktiver, kapazitiver, photoelektrischer oder Ultraschall- oder Hall-Sensor.

Bei auf einem Schwingkreis basierenden Sensoren, beispielsweise induktiven oder kapazitiven Sensoren, ist eine Versorgungsdauer, während der die Sen soreinheit mit der Energieversorgungseinheit verbunden ist, vorzugsweise grösser oder gleich einer Abklingzeit des Schwingkreises.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Aus führungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch erfindungsgemässe Näherungssensoren;

Fig. 3 einen Verlauf einer Versorgungsspannung;

Fig. 4 einen idealen Verlauf eines Oszillatorsignals; und

Fig. 5 bis 8 Signalverläufe in erfindungsgemässen Näherungssensoren. Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Näherungssensor. Ein erster Ausgang einer Energieversorgungseinheit 1 ist über eine Schalt einheit 2 mit einem ersten Eingang einer Sensoreinheit 3 verbunden. Ein zweiter Ausgang der Energieversorgungseinheit 1 und ein zweiter Eingang der Sensoreinheit 3 sind mit einer gemeinsamen Masse verbunden. Die Sen soreinheit 3 dient bei einem Näherungssensor zur Bestimmung einer Distanz s zu einem Objekt 4. Falls der Näherungssensor ein Näherungsschalter ist, dient die Sensoreinheit 3 zur Bestimmung einer Anwesenheit des Objektes 4. Dazu weist die Sensoreinheit 3 eines oder mehrere Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteuerung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von rele vanten physikalischen Grössen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeu gung von Messdaten auf. Messdaten oder Messresultate enthalten Informa tion über die Distanz respektive die Anwesenheit des Objektes 4, beispiels weise in Form eines Ausgangssignals D.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Näherungssensor ein Näherungsschalter. In einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung be ruht die Funktion der Sensoreinheit 3 auf einem kapazitiven, induktiven oder photoelektrischen Wirkungsprinzip oder auf einem Hall-Effekt oder auf Ul traschall. Sensorelemente oder Detektoren sind somit beispielsweise ein Schwingkreis, eine Antenne, Leuchtdioden, Photodioden, Hall-Elemente oder Piezokristalle.

Vorzugsweise ist die Schalteinheit 2 ein Halbleiterschalter, beispielsweise ein MOSFET oder ein Silizium-Gate CMOS-Schalter. Eine Ansteuerung dieses Schalters geschieht beispielsweise durch einen Oszillator mit einem nachge schaltetem Komparator und Pulsgenerator.

Die Fig. 2 zeigt schematisch eine Variante eines erfindungsgemässen Nä herungssensors, in welcher die Sensorelemente durch einen Schwingkreis 5 ausserhalb der Sensoreinheit 3 gebildet sind. Dabei ist die Sensoreinheit 3 über einen dritten Eingang mit einem LC-Parallelschwingkreis 5 verbunden. Das Objekt 4 steht, falls anwesend, mit dem Schwingkreis 5 in Wirkverbin dung, so dass in allgemein bekannter Weise eine Änderung von Parametern des Schwingkreises 5 durch die Sensoreinheit 3 auswertbar ist.

Die Sensoreinheit 3 ist vorzugsweise kommerziell erhältlich, so dass ein Ein satz ohne zusätzlichen Entwicklungsaufwand möglich ist. Sie ist beispiels weise für einen Dauerbetrieb ausgelegt und weist vorzugsweise weitere Ein- und Ausgänge zur Einstellung von Parametern und zur Ausgabe von Messre sultaten auf.

Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem periodisch gepulsten Verlauf einer Versorgungsspannung Vs am ersten Eingang der Sensoreinheit 3 ent lang einer Zeitachse t. Innerhalb einer Periodendauer Tp liegt die Versor gungsspannung Vs während einer Versorgungsdauer Tv an.

Die Fig. 4 zeigt für einen auf einem Schwingkreis 5 basierenden Nähe rungssensor, beispielsweise gemäss Fig. 2, einen idealen Verlauf einer am dritten Eingang der Sensoreinheit 3, das heisst einer am Schwingkreis 5 an liegenden Spannung Vo. Der Verlauf entspricht dem in Fig. 3 gezeigten Verlauf der Versorgungsspannung Vs.

Durch einen solchen intermittierenden Betrieb der Sensoreinheit 3 ergibt sich eine Verringerung eines Energiebedarfs der Sensoreinheit 3 gegenüber dem Dauerbetrieb entsprechend dem Verhältnis der Versorgungsdauer Tv zur Periodendauer Tp.

Die Fig. 5 und 6 zeigen jeweils einen gemessenen zeitlichen Verlauf der am Schwingkreis 5 anliegenden oszillierenden Spannung Vo sowie eines bi nären Ausgangs D der Sensoreinheit 3. Die nicht eingezeichnete Versor gungsspannung Vs wird jeweils beim Zeitpunkt Null angelegt und nach 40 Mikrosekunden wieder auf Null gesetzt. Werte des binären Ausgangs D zei gen das Vorhandensein eines Objektes 4 an. Im Falle entsprechend Fig. 5 wird eine Abwesenheit eines Objektes 4 detektiert, indem die Oszillation des Schwingkreises 5 nicht durch das Objekt 4 gedämpft ist, darauf nach einer bestimmten Verzögerungszeit die Oszillation detektiert wird und der binäre Ausgang D ansteigt. Nach dem Ausschalten der Speisespannung sinkt der binäre Ausgang wieder ab und klingt die Oszillation des Schwingkreises 5 aus. Im Falle entsprechend Fig. 6 wird die Oszillation des Schwingkreises 5 in bekannter Weise durch das Vorhandensein eines Objektes 4 gedämpft, der binäre Ausgang bleibt tief und zeigt damit eine Anwesenheit eines Ob jektes 4 an. Der Wert des binären Ausgangs D wird beispielsweise durch ei nen Vergleich eines Mittelwerts der am Schwingkreis 5 anliegenden Span nung Vo mit einem Schwellwert ermittelt.

Vorzugsweise ist die Versorgungsdauer Tv grösser oder gleich einer Ab klingzeit des nicht durch das Objekt 4 gedämpften Schwingkreises 5. Die Abklingzeit ist gleich einer Zeitdauer, in der eine Enveloppe der Oszillation des ungespeisten Schwingkreises 5 auf einen Wert von 1/e mal einer An fangsamplitude abklingt. Durch eine solche ausreichend lange Versorgungs dauer Tv erhält der Schwingkreis 5 genügend Energie für eine zuverlässige Messung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Versor gungsdauer Tv grösser als die dreifache Abklingzeit.

Die Fig. 7 zeigt einen gemessenen zeitlichen Verlauf des binären Ausgangs D der Sensoreinheit 3 über eine längere Zeit. Die Periodendauer Tp beträgt beispielsweise mindestens annähernd 500 Mikrosekunden, die Versorgungs dauer beträgt beispielsweise mindestens annähernd 40 Mikrosekunden. Da durch ergibt sich eine Verringerung des Energieverbrauchs um den Faktor 500 : 40 = 12,5. Die Anwesenheit eines Objekts 4 wird durch ein Fehlen 7 eines oder mehrerer Pulse des binären Ausgangs D angezeigt und wird in einer überlagerten Einheit vor oder nach einer Übertragung an ein Leitsystem aus gewertet.

Bei beiden oben angeführten numerischen Beispielen lässt sich die Energie einsparung gegenüber dem Dauerbetrieb durch Erhöhung der Periodendauer Tp und/oder Erniedrigung der Versorgungsdauer Tv weiter vergrössern.

Die Fig. 8 zeigt einen Verlauf eines Speisestroms Is eines Hall-Sensors, wo bei die Versorgungsspannung Vs von der Zeit t = 25 bis t = 36 Mikrosekunden angelegt ist und einem Verlauf 81 entspricht. Eine erster Stromverlauf 82 zeigt einen Verlauf des Speisestroms Is bei Anwesenheit eines magnetischen Objektes 4, ein zweiter Stromverlauf 83 bei Abwesenheit. Aus dem Verlauf des Speisestroms Is wird in allgemein bekannter Weise, beispielsweise durch Vergleich mit einem Schwellwert, ein binäres Ausgangssignal gebildet. Hall- Sensoren eignen sich aufgrund ihrer schnellen Ansprechgeschwindigkeit be sonders für den erfindungsgemässen Einsatz. Beispielsweise ergibt sich bei einer Periodendauer Tp von mindestens annähernd 500 Mikrosekunden und einer Versorgungsdauer von mindestens annähernd 11 Mikrosekunden eine Verringerung des Energieverbrauchs um den Faktor 500 : 11, also ca. 45.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass bestehende Sensoreinheiten ohne oder nur mit geringen Anpassungen in einer energiesparenden Weise eingesetzt werden können. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemässer Näherungssen sor eine drahtlose Speisung, also eine drahtlose Übertragung von Energie zum Betrieb des Näherungssensors, und eine drahtlose Übermittlung von Messdaten, beispielsweise an ein Leitsystem, auf.

Bezugszeichenliste

1

Energieversorgungseinheit

2

Schalteinheit

3

Sensoreinheit

4

Objekt

5

Schwingkreis

7

Fehlen eines Signals

81

Versorgungsspannungsverlauf

82

erster Stromverlauf

83

zweiter Stromverlauf
D binärer Ausgang
Is Stromaufnahme
Tp Periodendauer
Tv Versorgungsdauer
s Distanz
t Zeitachse
Vo Schwingkreisspannung
Vs Versorgungsspannung

Claims

1. Näherungssensor, welcher eine Sensoreinheit (3) und eine Energieversor gungseinheit (1) aufweist, wobei die Sensoreinheit (3) eines oder mehrere Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteuerung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von physikalischen Grössen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeugung von Messdaten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor eine Schalteinheit (2) zur intermittierenden Energieversorgung der Sensoreinheit (3) aufweist.

2. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor Mittel zur drahtlosen Übermittlung von Messdaten aufweist.

3. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor Mittel zur drahtlosen Übertragung von Energie zum Betrieb des Näherungssensors aufweist.

4. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor ein Näherungsschalter ist.

5. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (3) auf einem kapazitiven, induktiven oder photoelektri schen Wirkungsprinzip oder auf einem Hall-Effekt oder auf Ultraschall beruht.

6. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor einen Schwingkreis (5) aufweist, und dass eine Versor gungsdauer (Tv) der Sensoreinheit (3) grösser als eine Abklingzeit einer am Schwingkreis (5) anliegenden oszillierenden Spannung ist.

7. Näherungssensor gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsdauer (Tv) grösser als die dreifache Abklingzeit der am Schwingkreis (5) anliegenden oszillierenden Spannung ist.

8. Verfahren zum Betrieb eines Näherungssensors mit geringer Leistungs aufnahme, welcher eine Sensoreinheit (3) aufweist, wobei die Sensorein heit (3) eines oder mehrere Sensorelemente sowie Mittel zur Ansteue rung dieser Sensorelemente, Mittel zur Messung von physikalischen Grö ssen der Sensorelemente und Mittel zur Erzeugung von Messdaten auf weist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (3) intermittie rend mit einer Versorgungsspannung Vs gespeist wird.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Messdaten der Sensoreinheit (3) und Energie zum Betrieb des Näherungssensors drahtlos übertragen werden.

10. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sen soreinheit (3) einen Schwingkreis (5) für eine kapazitive oder induktive Detektion eines Objektes (4) speist.