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Technisches Gebiet.
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Die
Erfindung betrifft einen induktiver Näherungsschalter mit einem aktiven
LC-Schwingkreis
mit Spule und Kondensator als Oszillator, der von einem Wechselstrom
durchflossen ist und dessen Zustand zur Ableitung eines Ausgangssignals
benützt
wird, zur Bestimmung des Weges und/oder der Position im Raum und/oder
der Materialeigenschaft eines zu detektierenden elektrisch wenigstens
schwach und/oder magnetisch leitfähigen Körpers durch Einbringen desselben
in das elektromagnetische Feld der Spule, wobei das erhaltene Messsignal
mit einem Fremdsignal verglichen und ein Schaltvorgang ausgelöst wird,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik:
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Kontakt-
und berührungslos
arbeitende Initiatoren oder Näherungsschalter
enthalten gewöhnlich einen
Hf-Oszillator in einer Sperrschwingerschaltung mit einem aktiven
LC-Schwingkreis, dessen Induktivität als Spule mit gerichtetem
Hf-Feld ausgebildet ist. Wird in das Feld ein elektrisch leitendes
Medium gebracht, tritt eine Dämpfung
im Schwingkreis auf. Bei genügend
großer
Dämpfung
gemäß dem Abstand
des Mediums von der Spule des LC-Schwingkreises reißt die Schwingung
des Oszillators ab, wobei diese Zustandsänderung innerhalb eines Auswerters
in einen Schaltbefehl umgesetzt wird.
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Derartige
Schalter besitzen die Eigenschaft, dass der Schaltabstand von den
Materialeigenschaften und der Beschaffenheit des zu detektierenden Körpers abhängt. Zu
detektierende Körper
aus magnetisch und elektrisch leitfähigem Material haben einen
höheren
Schaltabstand, Körper
aus magnetisch nichtleitfähigem,
aber elektrisch leitfähigem
Material einen geringeren Schaltabstand. Je nach Permeabilität und elektrischer
Leitfähigkeit
des Bedämpfungselementes ändern sich
Verlustwiderstand und Induktivität
der Sensorspule unterschiedlich stark, wobei z.B. Baustahl eine
große
Erhöhung
des Verlustwiderstandes, aber nur eine geringe Abnahme der Induktivität, NE-Metalle
wie AL, Cu, eine erheblich geringere Erhöhung des Verlustwiderstandes,
aber eine stärkere
Abnahme der Induktivität
bei jeweils gleichem Abstand, bewirken. Näherungsschalter des Standes
der Technik werten im Wesentlichen nur die Änderung des Verlustwiderstandes
aus, so dass die Schaltabstände
für NE-Metalle
viel kleiner sind als für
Stahl.
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Üblicherweise
wird versucht, den ohmschen Anteil des Gesamt-Verlusts, insbesondere
den Kupfer-Widerstand des Spulenwickels, wegen störender Temperatureinflüsse gering
zu halten. Dadurch ist die Verschiebung zwischen Resonanzfrequenz
und Amplituden-Maximum vernachlässigbar
klein, d.h. im unbedämpften
Schwingkreis liegen beide Punkte praktisch übereinander, in einem gedachten
Diagramm: Amplitude und Phase über
Frequenz. Bei Bedämpfung
durch Eisen, FE, ändern
sich die Verluste im Schwingkreis derart, dass in erster Linie eine Dämpfung erfolgt
und die Frequenzverschiebung durch den veränderten Verlust nur geringfügig ist. Eine "Bedämpfung" durch Nichteisen-Metalle,
insbesondere durch Aluminium, AL, bringt in erster Linie eine Frequenzverschiebung
und eine nur geringe Amplituden-Änderung
mit sich, was im Diagramm 2 gezeigt
ist.
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Bei
speziellen Anwendungen kann gerade diese Eigenschaft des unterschiedlichen
Schaltabstandes für
unterschiedliche Materialeigenschaften des zu detektierenden Körpers nachteilig
sein. Zur Behebung dieses Nachteils wurde in der
DE 3919916 A ein induktiver
Näherungsschalter
mit einem Hf-Oszillator mit einem LC-Schwingkreis vorgeschlagen, dem
ein weiterer LC-Schwingkreis unter gegenseitiger magnetischer Beeinflussung
dergestalt benachbart ist, dass die Spulen der beiden Schwingkreise axial
auf einer gemeinsamen Achse innerhalb von aufeinander aufgesetzten
Schalenkernen sitzen. Diese Anordnung bringt wohl eine gleichbleibende
Ansprechempfindlichkeit für
unterschiedliche Metalle, sie ist jedoch kritisch hinsichtlich der
magnetischen Kopplung der beiden Schwingkreise, die sich nach erfolgter
Einstellung nicht ändern
darf und damit abhängig
vom Abstand der beiden Spulen voneinander. Schon sehr geringe Abstandsänderungen,
beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, können die
magnetische Kopplung der beiden LC-Schwingkreise beeinträchtigen.
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Durch
die
DE 3714433 C1 ist
ein induktiver Näherungsschalter
mit Oszillatorschaltung bekannt geworden, mit einem die Frequenz
bestimmenden Frequenz-Schwingkreis
und mit einem die Verstärkung
bestimmenden Impedanzglied, welches einen Impedanzschwingkreis mit
einer durch die Annäherung
eines metallischen Auslösers
beeinflussbaren Sensorspule enthält.
Damit der Näherungsschalter für FE- und
NE-Auslöser-Metalle
in etwa den gleichen Schaltabstand aufweist, sollen die Resonanzfrequenz
des Oszillatorschwingkreises und der kritische Impedanzwert des
Impedanzgliedes auf die Koordinaten des Schnittpunktes der für jeweils
gleichen Schaltabstand sich ergebenden Impedanz/Frequenz-Kennlinien
für einen
NE-Auslöser
und einen FE-Auslöser
abgestimmt sein. Das bedingt Schwingkreise von hoher Güte und genauer
Justierung der kritischen Impedanz der Oszillatorschaltung, wozu ein
gesondertes Verstellglied im Impedanzzweig der Oszillatorschaltung
vorgesehen werden muss.
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Durch
die DE-4120806-A ist ein induktiver Näherungsschalter mit Oszillator
bekannt geworden, dessen Zustand zur Ableitung eines Ausgangssignals
benützt
wird, mit einem aktiven LC-Schwingkreis zur Bestimmung des Weges
oder der Materialeigenschaften eines zu detektierenden elektrisch
und/oder magnetisch leitfähigen
Körpers
durch Einbringen desselben in das elektromagnetische Feld der Spule des
LC-Schwingkreises, mit einem aus Spule und Kondensator bestehenden
zweiten LC-Schwingkreis. Bei Anwesenheit in einem vorgegebenen Bereich des
zu detektierenden Körpers
entsprechend seines Abstandes von der Spule des ersten LC-Schwingkreises
wird der Oszillator beeinflusst, bei Abwesenheit des zu detektierenden
Körpers
nicht beeinflusst. Der zweite LC-Schwingkreis ist parallel dem ersten bzw.
aktiven LC-Schwingkreis angeordnet und zwischen beiden Schwingkreisen
ist ein Widerstand in Reihe geschaltet, der auf den gemeinsamen
Leitungspunkt des ersten Schwingkreises mit dem Oszillator gelegt
ist; beide Schwingkreise sind nicht induktiv miteinander verkoppelt.
Die Resonanzfrequenz des ersten aktiven Schwingkreises liegt unterhalb
oder oberhalb der Resonanzfrequenz des zweiten passiven Schwingkreises,
wobei die Änderung der
Induktivität
der Spule des ersten Schwingkreises zur Detektion von NE-Metallen oder zur
Unterscheidung zwischen NE- und FE-Metallen bzw. zur Detek tion von
hochpermeablen Materialien ausgewertet wird. Die beiden Schwingkondensatoren
müssen
unbedingt genau aufeinander abgestimmt sein, da ansonsten kein Reduktionsfaktor=1
erreicht werden kann. Des Weiteren müssen beide Resonanzkreise hinsichtlich
ihrer Temperaturstabilität
optimiert werden.
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Durch
die DE-20108904-U1 ist ein induktiver Näherungsschalter zum materialunabhängigen Nachweis
von metallischen Gegenständen
mit einer Sensoreinrichtung bekannt geworden, in der ein von einem
metallischen Gegenstand beeinflussbarer Schwingkreis mit mindestens
einer Spule zur Erzeugung eines abstandsabhängigen Sensorsignals bei relativer
Abstandsänderung
zwischen metallischem Gegenstand und Sensoreinrichtung vorgesehen
ist. Eine Auswerteeinrichtung steht mit der Sensoreinrichtung zur
Auswertung des Sensorsignals und zur Erzeugung eines Schaltsignals
in Wirkverbindung. Die Spule ist mit einer Spulenwicklung versehen,
die aus einer Widerstandslegierung insbesondere mit sehr geringem
Temperaturbeiwert wie Kupfer-Nickel-Legierung, gefertigt ist.
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Technische Aufgabe:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter
mit einem schwingfähigen
Oszillator der eingangs genannten Gattung dergestalt zu verbessern,
dass dieser für
zu detektierende elektrisch wenigstens schwach und/oder magnetisch
leitfähige
Körper
bei einem Reduktionsfaktor 1 einen einfachen Aufbau mit nur einem
Resonanzkreis besitzt und trotzdem eine große Freiheit in der konstruktiven
Ausführung
bietet.
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Offenbarung der Erfindung
sowie deren Vorteile:
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht bei einem induktiven Näherungsschalter mit einem aktiven LC-Schwingkreis
der eingangs genannten Gattung darin, dass dem Kondensator des LC-Schwingkreises
ein Widerstand in Reihe zugeschaltet ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Widerstand nur ein
ohmscher Widerstand der Größe von üblicherweise
etwa 30 Ω bis
etwa 100 Ω.
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Der
LC-Schwingkreis besitzt dabei ein Spulenpaar, das sich von den meisten
bekannten Anordnungen unterscheidet. Üblicherweise wird beim Stand
der Technik das Spulenpaar als Spule mit Mittelanzapfung ausgeführt und
eine möglichst
große Kopplung
zwischen den Spulen angestrebt. Außerdem sind beide Spulen des
Paares üblicherweise konstruktiv
gleich ausgeführt
und unterscheiden sich nur in den Windungszahlen. Die Spule des
erfindungsgemäßen induktiven
Näherungsschalters
kann entweder eine solche mit einer Mittenanzapfung sein, oder sie
besteht aus zwei getrennten Spulenwicklungen, also aus zwei getrennten
Spulen, welche in Serie geschaltet sind.
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Somit
kann der erfindungsgemäße Näherungsschalter
entweder eine Spule mit Mittenanzapfung oder patentgemäß zwei getrennte,
in Serie liegende Spulenwicklungen bzw. Spulen besitzen, deren konstruktive
Ausführung
völlig
unterschiedlich sein darf und deren Lage zueinander völlig frei
wählbar
ist. Die beiden Spulenwicklungen können unmittelbar aneinander
gefügt
sein oder auf gemeinsamer Achse ineinander liegen oder unter einem
beliebigen Winkel gegeneinander und nahezu beliebigem Abstand zueinander
angeordnet sein. Damit zeigt sich auch, dass die Kopplung zwischen
den Spulen nahezu beliebig klein werden kann bzw. gewählt werden kann
und keine Einschränkung
bei der konstruktiven Ausführung
darstellt.
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Die
Erfindung besitzt den Vorteil, dass der induktive Näherungsschalter
für zum
Beispiel FE und AL gleichermaßen
empfindlich ist, was bedeutet, dass derselbe einen gleichen Schaltabstand
für FE und
AL besitzt und damit den Reduktionsfaktor 1 aufweist. Der induktive
Näherungsschalter
kombiniert somit vorteilhaft die eingangs genannten drei Sachverhalten,
nämlich
das es gewünscht
ist, den ohmschen Anteil des Gesamt-Verlusts wegen störender Temperatureinflüsse gering
zu halten um die Verschiebung zwischen Resonanzfrequenz und Amplituden-Maximum
im unbedämpften
Schwingkreis zu minimieren, bei Bedämpfung durch Eisen nur eine Dämpfung zu
erhalten, so dass die Frequenzverschiebung durch den veränderten
Verlust nur geringfügig
ist sowie bei "Bedämpfung" durch Nichteisen-Metalle,
wie AL, in erster Linie eine Frequenzverschiebung und eine nur geringe
Amplituden-Änderung
zu erhalten.
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Durch
Einfügen
eines Serienwiderstands in einem der Schwingkreiszweige, nämlich in
Reihe mit dem Kondensator des LC-Schwingkreises, wird die Resonanzfrequenz
soweit auf der Flanke – oder
umgekehrt betrachtet: das Amplituden-Maximum von der Resonanzfrequenz weg – verschoben,
dass der eigentlich viel größere Effekt
der Bedämpfung
durch FE in die gleiche Größe gerät wie die
Amplituden-Änderung
aufgrund der Verschiebung der Resonanzfrequenz bei geringeren Bedämpfung durch
AL.
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Da
das Vorhandensein des Reduktionsfaktors 1 in vielen Anwendungsfällen erwünscht ist,
wird bei der Erfindung die verringerte Gesamt-Empfindlichkeit des
Schwingkreises für
den Reduktionsfaktor 1 gegenüber
einem nur für
FE ausgelegten Schwingkreis in Kauf genommen. In diesem Fall bietet
die vorliegende Erfindung eine konstruktiv bestechend einfache und
flexible Lösung
gegenüber
den bekannten Methoden, zum Beispiel der Erhöhung des Wicklungswiderstands
der Spule durch spezielle Materialien oder Konstruktionen mit störenden Nebenwirkungen.
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Ein
Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben.
Dabei zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild eines Beispiels der Erfindung und
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2 ein
Bedämpfungsdiagramm
von Impedanz-Phasenkurven eines Resonanzschwingkreises für verschiedene
metallische Materialien.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung:
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In
der Schaltung der 1 umfasst ein induktiver Näherungsschalter
einen Oszillator in Sperrschwingerschaltung mit einem Oszillator-Transistor 1 mit
Kollektor 2 und Emitter 3, wobei an der Basiszuleitung 6 über einen
Basisvorwiderstand 4 der positive Pol 19 einer
Spannungsquelle 18 anliegt.
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Der
Emitter 3 des Transistors 1 ist über einen veränderbaren
Widerstand 9 an den gemeinsamen Knoten 12 von
in Serie liegenden Spulenwicklungen 8a, 8b eines
Spulenpaares 8 gelegt, wobei beide Spulenwicklungen 8a, 8b in
Serienschaltung ihrerseits parallel zu einem Schwingkondensator 15 geschaltet
sind, so dass diese einen LC-Schwingkreis 8–15 bilden,
der aktiv genannt wird, weil seine Schwingungen von einem sich der
Spule 8, nämlich wahlweise
Wicklung 8a oder Wicklung 8b, nähernden
metallischen Körper 11 bzw. 11' beeinflusst
werden. Der Schwingkreis 8–15 ist vorzugsweise
ein Parallelschwingkreis.
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Das
eine Ende des Spulenpaares 8 bzw. des LC-Schwingkreises 8–15 ist
im Leitungspunkt 13 mit einem Widerstand 14, bevorzugt
ein ohmscher Widerstand, verbunden, der in Reihe mit dem Schwingkondensator 15 liegt.
Zwischen dem Leitungspunkt 13, das ist das eine Ende des
Spulenpaares 8, und der Basiszuleitung 6 ist zu
dessen Leitungspunkt 5 ein Kondensator 7 angeordnet,
der somit mit dem Widerstand 4 verbunden ist. Das andere
Ende des Spulenpaares 8, der Leitungspunkt 16,
ist über
einen Widerstand 17 mit dem negativen Pol 20 der
Spannungsquelle 18 verbunden. Zwischen dem Pol 19 und
dem Leitungspunkt 16 am Spulenausgang der Spule 8 kann
ein Kondensator 10 parallel zur übrigen Schaltung, wie dargestellt,
liegen.
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Die
Wirkungsweise des induktiven Näherungsschalters
ist folgende:
Wenn sich innerhalb des induktiven Feldes der
Spule 8, nämlich
wahlweise Wicklung 8a oder Wicklung 8b, des aktiven
LC-Schwingkreises 8–15 kein
metallischer Körper
befindet, schwingt die Schaltung, wobei der Oszillator-Transistor 1 am
Kollektor 2 eine Phasendrehung der Schwingungen gegenüber den
Emitter 3 bewirkt, die kurze Zeit nach dem Einschalten stabil
sind. Der Oszillator schwingt auf der Resonanzfrequenz f0 des Parallelschwingkreises 8–15.
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2 zeigt
ein Bedämpfungsdiagramm
von Impedanz-Phasenkurven des Resonanzschwingkreises eines induktiven
Näherungsschalters
für verschiedene
metallische Materialien. Eine Erhöhung des Verlustwiderstandes
der Spule 8, in wenigstens einer der Wicklungen 8a oder 8b,
des Schwingkreises 10 durch den bedämpfenden metallischen Körper 11 aus
FE bewirkt in dieser Anordnung direkt eine Erhöhung des Leitwertes im Resonanzpunkt
f0. Die Maxima des unbedämpften und des FE-bedämpften Parallelschwingkreises 8–15 liegen
praktisch übereinander.
Bei einer AL-Bedämpfung
tritt eine geringere Bedämpfung
des Resonanzschwingkreises ein, jedoch wird die Lage des Maximum
gegenüber
der Lage des Maximum beim unbedämpften
Resonanzschwingkreis nach rechts verschoben, was eine Frequenzänderung
bedeutet. Durch eine geeignete Dimensionierung des Widerstandes 14 wird
nun erreicht, dass der Leitwert im Resonanzpunkt des Parallelschwingkreises 8–15 für alle gängigen Materialien
des Körpers 11 bzw. 11' bei gleichem
Abstand etwa gleich groß ist,
das heißt
es ergeben sich gleiche Schaltabstände, der Reduktionsfaktor ist
somit 1 oder nahezu 1. Der Serienwiderstand in einem der beiden
Zweige des Schwingkreises, hier im Kondensatorzweig, bewirkt eine
Verschiebung des Amplituden-Maximums gegenüber der Resonanzfrequenz, die
im Nulldurchgang der Phase liegt. Der Schwingkreis schwingt daher
nicht mehr mit maximaler Amplitude sondern wird auf der Amplituden-Flanke
betrieben.
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Über einen
Widerstand 17 innerhalb zum Beispiel der negativen Spannungszuleitung 20 kann das
Ausgangssignal UA bzw. Messsignal zur Auslösung eines
Schaltvorganges abgegriffen werden. Ebenso ist es möglich, am
Emitter 3 des Oszillator-Transistors 1 die Schwingspannung
des Oszillators 1 abzugreifen und über einen angeschlossenen Demodulator
zu demodulieren und durch einen Komparator in ein Schaltsignal umzusetzen.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Der
erfindungsgemäße Näherungsschalter ist
insbesondere zur Detektion von NE- und Fe-Metallen mit Reduktionsfaktor
1 geeignet.
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- 1
- Oszillator-Transistor
- 2
- Kollektor
- 3
- Emitter
- 4
- Basisvorwiderstand
- 5,
13, 16
- Leitungspunkte
- 6
- Basiszuleitung
- 7
- Kondensator
- 8
- Spulenpaar
- 8a,
8b
- seriell
angeordnete Wicklungen des Spulenpaars
- 9
- Emitterwiderstand
- 10
- Kondensator
- 11,
11'
- zu
detektierender, metallischer Körper
- 12
- gemeinsamer
Knoten der Wicklungen
- 14
- Widerstand
- 15
- Schwingkondensator
- 17
- Widerstand
zum Abgriff des Ausgangssignals
- 18
- Spannungsquelle
- 19,
20
- Pole
der Spannungsquelle
- UA
- Ausgangssignal
- f0
- Resonanzfrequenz