DE3228524A1 - Induktiver annaeherungsschalter - Google Patents

Description

• Induktiver AnnäherunRsshalter
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schalter, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
• Berührungslos und kontaktlos arbeitende Schalter sind bekannt, wobei deren Wirkungsweise auf verschiedenen Prinzipien beruhen. Es kann dies das kapazitive oder das induktive Prinzip sein. Solche Schalter können auch mit Lichtstrahlen oder Ultraschall arbeiten. In Prospekten der Siemens Aktiengesellschaft sind solche Schalter listenmäßig angegeben.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen induktiv arbeitenden Schalter einer an sich bekannten Bauform eine Betriebsweise anzugeben, die nur sehr geringe Anforderungen an die im Zusammenhang mit diesem Schalter vorzusehende elektronische Detektorschaltung stellen und trotzdem eine hohe für Eisen und Nichteisenmetalle gleiche Empfindlichkeit aufweisen.
• Diese Aufgabe wird für einen Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens dieses Anspruchs gelöst unt weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
• Der vorliegenden Erfindung liegt zu einem wesentlichen Maße zugrunde, die Anforderungen an die für einen solchen Annäherungsschalter prinzipiell notwendige elektronische Detektorschaltung zu minimieren, ohne Einbuße an Exaktheit der Schaltfunktion hinnehmen zu müssen. Insbe- sondere soll mit der Erfindung gewährleistet sein, daß Temperatureinflüsse die betriebssichere Funktion des mit'der Erfindung ausgerüsteten Schalters nicht beeinträchtigen können.
• Die Erfindung geht zum einen davon aus, die Verstimmung eines Schwingkreises auszuwerten, in dem die (Magnetfeld-)Spule des betreffenden Annaherungsschalters den zumindest wesentlichen Anteil des induktiven Teils des Schwingkreises ausmacht. Es kann dazu in der Detektorschaltung Frequenzverstimmung und/oder Phasenverstimmung zur Auswertung kommen. Es ist dabei vorgesehen, diese Spule mit einer Oszillator-Spannung mit ggf; nachregelbarer fester Frequenz zu speisen.
• Ein besonders einfaches Prinzip der Kompensation ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dasjenige; zwei Spulen vorzusehen, von denen (jeweils) im wesentlichen nur die eine derselben der eigentliche Annäherungsschalter ist. Diese zwei Spulen können dabei auch so angeordnet sein, daß richtungsabhängige Annaherungsüberwachung durchgeführt werden kann.
• einer Bei einer(Ausgestaitung der Erfindung gemäßen Verwendung von zwei (o-der noch mehreren) Spulen kann hier auch vorgesehen sein, der als Referenzspule angeordneten (zweiten) Spule ein definiertes-einstellbares Objekt gegenüber zuostellen, um damit nicht nur eine besondere Temperaturkompensation zu erreichen, sondern um damit auch (zusätzlich) eine Einstellbarkeit des Schalters zu realisieren.
• Günstig ist eine koaxiale Anordnung von zwei vorgesehenen Spulen, und insbesondere eine solche Anordnung, bei der die Referenzspule mit einem ihr gegenübergestellten Objekt so angeordnet ist, daß dieser Referenzteil vom eigentlichen aktiven Teil des erfindungsgemäßen Schalters unbeeinflußbar bleibt.
• Ein besonders einfaches Auswerteprinzip ist die Detektion der Schwebungsfrequenz zwischen zwei vorgesehenen-Spulen, die eifle jede einen eigenen Oszillator als Speisequelle hat. Werden beide Spulen von einer gemeinsamen Oszillatorspannung gespeist, so.kann deren auftretende Differenz im Phasenwinkel als ein Detektörkriterium herangezogen werden.
• Induktiv arbeitende Annäherungsschalter sprechen auf Annäherung elektrisch gut leitfähiger Körper, insbesondere auf Metalle an. Bekannte Schalter mit Auswertung der-Schwingkreisbedämpfung haben für Nicht-Eisenmetalle den Nachteil geringer Empfindlichkeit. Erfindungsgemäß mit Verstimmung arbeitende Annäherungsschalter sprechen dagegen auf die vielenWnicht-ferromagnetischen Stoffe ebenfalls gut an und haben entsprechend materialunabhängige Empfindlichkeit. Dies gilt insbesondere auch für Aluminium, d.h. auch für Aluminiumfolien, die als Aufkleber im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Annäherungsschalter verwendet werden können.
• Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden anhand der Figuren gegebenen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.
• Figur 1 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel mit nur einer Magnetfeldspule 2 mit dNenm Schalenkern 3 aus ferromagnetischem Material, auf dessen zentralem Mittelstück 4 sich die eigentliche Spule 5 mit ihren Anschlüssen 6 und 7 befindet. Mit 8 ist der Kondensator bezeichnet, mit dem zusammen die Spule 5 den Schwingkreis bildet, der bei Annäherung eines (elektrisch -leitfähigen) Objekts an die Magnetfeldspule 2 eine dementsprechende Verstimmung erfährt. Mit 11 ist ein Oszillator bezeichnet, der eine Wechselspannung mit fester Frequenz liefert, die auf die frequenzmäßige Mittellage des aus Spule 5 und Kondensator 8-gebildeten Schwingkreises abgestimmt ist. Mit 12 und 13 sind Koppelkapazitäten bezeichnet und die Bezugszeichen 14 und 15 geben OMOS-Gatter, die als Verstärker verwendet werden, an. Mit 16 ist ein D-Flipp-Flopp mit seinen Anschlußkennziffern angegeben. Die Ausgangsschaltüng 17, die am Ausgang Q-angeschlossen ist, gibt ein Beispiel für Signalgabe mit der in ihr enthaltenen Lumineszenzdiode.
• Fakultativ kann auch eine solche oder eine ähnliche Schaltung am Ausgang Q angeschlossen werden Mit 18 ist eine Verbindungsleitung zwischen dem Oszillator 11 und dem Clock-Eingang des D-Flipp-Flopp 16 bezeichnet.
• Diese in Figur 1 angegebene Schaltung ist insbesondere für Phasenauswertung geeignet. Eine durch Verstimmung des Schwingkreises 5, 8 hervorgerufene Phasenverschiebung gegenüber der Ausgangsspannung des Oszillators 11 wird im D-Flipp-Flopp 16 festgestellt.
• Figur 2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Spulen.
• Soweit in Figur 2 Einzelheiten enthalten sind, die bereits zur Figur 1 beschrieben worden sind, sei auf die dort gegebenen Erläuterungen hingewiesen.
• Mit 81 ist ein der Kapazität 8 parallel geschalteter Abstimmkondensator bezeichnet. Der hier mit 31 insgesamt bezeichnete Oszillator ist mit einer Rückkopplung§-spannung der Leitung 32 steuerbar (VCO-Oszillator).
• Zwischen seinem Ausgang und dem Schaltunpunkt,33 ist fakultativ ein (weiteres) D-Flipp-Flopp 34 eingefügt, mit dem eine Rückwirkung vom Schaltungspunkt 33 auf den Ausgang 35 des VCO-Oszillators, d.h. dessen Frequenz minimalisiert werden kann. Eine solche Sperre 34 gegen unerwünschte Rückwirkung kann im übrigen auch bei einer, Ausführungsform nach Figur 1 vorgesehen sein.
• Mit 22 ist insgesamt eine zweite Magnetfeldspule bezeichnet, die vorzugsweise identisch der Magnetfeldspule 2 ist, und die als Referenzspule verwendet wird.
• Die eigentliche Spule ist mit 25 bezeichnet und der den Schwingkreis mit der Spule 25 vervollständigende Kondensator ist mit 28 bezeichnet. Mit 122 und 123 sind Koppelkapazitäten bezeichnet. Dn mit 124 und 125 bezeichneten CMOS-Gatter entsprechen den beschriebenen Gattern 14 und 15. Der Zweig mit den Elementen 122 bis 125 und mit der zusätzlichen Magnetfeldspule 22 ersetzt im Prinzip die Verbindungsleitung 18 des Ausfukrungsbeispiels nach Figur 1. In diesem in Figur 2 hinzugekommenen Schaltungsteil wird ebenfalls wie in dem Schaltungskreis mit den Elementen 12 bis 15 und der Spule 2 ein Rechtecksignal für den Clock-Eingang 3 des D-Flipp-Flopps 16 erzeugt, das aber -da die Magnetfeldspule 22 eine Referenzspule ist- im wesentlichen frequenz-und phasenkonstant ist. Etwaige durch Temperaturveränderungen hervorgerufene Frequenzänderungen im Schwing- kreis der Spule 25 wirken sich auch im Schwingkreis der Spule 5 aus, wofür eine räumlich benachbarte Anordnung dieser Magnetfeldspulen 2 und 22 vorgesehen ist. Es tritt damit eine Temperaturkompensation auf.
• Für optimale Anpassung ist noch eine Verbindung 36 zu einem weiteren CMOS-Gatter 37 vorgesehen. Dieser Schaltungsteil wirkt zusammen mit der Verbindung 38 als Rückkopplungsteil, und zwar für eine optimale Anpassung der Frequenz des VCO-Oszillators 31 an das Frequenzverhalten der Referenzspule 22.
• Die in Figur 2 angegebene Schaltung ist wiederum auf Phasenvergleich im D-FlippsFloPP 16 abgestellt. Eine solche Schaltung ist besonders preiswert, obwohl sie dennoch sehr hohe Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse hat. Die Detektorschwelle dieser Schal-tung der Fig. 2 ist relativ niedrig. Die Schaltung bewirkt hohe Ansprechempfindlichkeit für den eigentlichen Annäherungsschalter mit der Magnetfeldspule 2.
• Als geeignete Oszillatorfrequenz haben sich Werte zwischen 60 kHz und 1 MHz erwiesen.
• Beim Ausführungsteispiel nach Figur 2 sind die beiden Spulen 5 und 25 der Magnetfeldspulen 2 und. 22 an ein und demselben (VCO-)Oszillator angekoppelt. Fakultativ ist zusätzlich noch durch die vorgesehene Rückkopplung 3638 die Erzeugung einer Nachstimm-Spannung bei Abweichen der Phase zwischen der Referenzspule 25 und dem VCO-Oszillator 31 vorgesehen.
• Die Äusführungsformen der Figuren 1 und 2 arbeiten mit Pbasendifferenz-Auswertung. In prinzipiell ähnlicher Weise kann auch mit Auswertung der Frequenzverstismung gearbeitet werden. Bei einem der Figur 1 analogen Beispiel wird die Frequenzverstimmung der Magnetfeldspule 2, die wiederum von einem Oszillator gespeist wird, mit beispielsweise einer Frequenzzähler-Schaltung festgestellt. Bei einer der Figur 2 analogen Au'sführungsform mit Magnetfeldspule 2 und Referenzspule 22 kann eine jede Spule 2, 22 von einem getrennten Oszillator gespeist werden, Die Differenzfrequenz, .die als Differenz der Frequenzwerte der Ausgangsspannungen der beiden Zweige auftritt, kann als Schwebungsfrequenz ausgewertet werden.
• Es kann auch vorgesehen sein, daß der speisende Oszillator, wie z.B. der Oszillator 31, auf einer vielfach höheren Frequenz vergleichsweise zur Betriebsfrequenz der Magnetfeldspulen 2, 22 schwingt und die Ankopplung an diese.
• Magnetfeldspulen über entsprechende Frequenzteilung erfolgt.
• Die Figuren 3 und 4 zeigen zwei Ausgestaltungen zu einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Magnetfeldspulen.
• Figur 3 zeigt eine koaxiale Anordnung,n der die beiden Magnetfeldspulen 2, 22 hintereinanderliegend in einem Rohr angeordnet sind. Die offene Seite des Schalenkerns der Magnetfeldspule 2 ist dem gestrichelt dargestellten Objekt 100 zugewandt, auf dessen Annäherung der Annäherungsschalter 1 ansprechen soll. Der Referenz-Magnetfeld spule 25 gegenüber ist in dem Rohr 101 ein Bezugs-Objekt 102 gegenüberliegend zugeordnet. Es befindet sich im wesentlichen auf der Rückseite der Magnetfeldspule 2 und kann ggf. (für eine Nachstimmung) in axialer Richtung verschoben werden. Dieses Objekt 102 ist eine Metallplatte aus beispielsweise Aluminium, die außerdem eine Entkopplung der beiden Magnetfeldspulen 2 und 25 voneinander bewirkt. Die Figur 4 zeigt eine Anordnung, bei der die beiden Magnetfeldspulen 2 und 25 Rücken an Rücken, axial zueinander angeordnet sind. Die jeweilige offene Seite der Schalenkerne dieser Magnetfeldspulen weisen in entgegengesetzte Richtungen. Wegen der Gleichwertigkeit der Anordnung in'Bezug auf die beiden Magnetfeldspulen .2 und 22 kann eine jede derselben die eigentliche Annäherungs-Detektorfunktion ausführen, d. h.
• den eigentlichen Teil des Annäherungsschalters bilden.
• Es können hier sogar beide Magnetfeldspulen Detektorwirkung ausüben, je nachdem, ob ein Objekt 100 von der einen (in der Figur 4 rechten) Seite her oder von der anderen Seite her (gestrichelt dargestellt) an den Annäherungsschalter herangeführt wird.
• Ein Schalter mit erfindungsgemäßer Auswertung des Imaginärteils der Verstimmung hat den Vorzug, daß der Ansprech-Abstand vom Objekt praktisch unabhängig vom Metall des Objekts ist, d.h. feromagnetische -Körper und nichtferromagnetische Körper im wesentlichen mit gleichem Schaltabstand erfaßt werden.
• 10 Patentansprüche 4 Figuren Leerseite

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Berührungslos und kontaktlos, induktiv arbeitender Schalter zur Uberwachung der Annäherung eines Objekts, das elektrisch leitende Eigenschaft hat, mit einer Magnetfeldspule, die Teil eines elektrisch gespeisten Schwingkreises ist und mit einer elektronischen Detektorschaltung zur Uberwachung des Schwingverhaltens der Magnetfeldspule, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Detektorschaltung (Fig. 1,2) den Imaginärteilibei Annäherung des Objekts (100) auftretendenVerstimmung des Schwingkreises (5, 8) auswertet.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß zwei Magnetfeldspulen (2, 22) vorgesehen und so angeordnet (Figuren 3, 4) sind, daß sich das Objekt (100) jeweils im wesentlichen nur der einen der Magnetfeldspulen (2, 22) annähert und daß die Detektorschaltung (Figur 2) die gegenseitige Verstimmung der beiden Magnetfeldspulen (2, 22) auswertet.
3. 3. Schalter nach Anspruch 2, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß zwei Magnetfelspulen (2, 22) vorgesehen sind, von denen nur die eine Magnetfeldspule (2) für die Detektion der Annäherung eines Objekts vorgesehen ist (Figuren 2, 3).
4. 4. Schalter nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß die eine Magnetfeldspule (22) als Referenzspule mit in definierbarer Lage gegenüberstehendem Objekt (102) ausgebildet ist (Figur3).
5. 5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die MagnetfeldW spulen (2, 22) Spulen mit offenem Schalenkern sind.
6. 6. Schalter nach Anspruch 5, g e k e n n z e i c h -n e t dadurch, daß zwei vorgesehene Magnetfeldspulen (2, 22) Rücken an Rücken axial zueinander angeordnet sind (Figur 4).
7. 7. Schalter nach Anspruch 5, gek e n n z e i c h -n e t dadurch, daß von zwei Magnetfeldspulen (2, 22) die eine Magnetfeldspule (22) der Rückseite der anderen Magnetfeldspule (2) angewandt,axial zu dieser angeordnet ist (Figur 3).
8. 8. Schalter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die elektronische Detektorschaltung die Schwebungsfrequenz als Kriterium für aufgetretene Verstimmung auswertet, wobei eine Jede Spule einen eigenen Oszillator hat.
9. 9. Schalter nachinem der Ansprüche 2 bis 7, -g ek e n n z e i c h n e t dadurch, daß die zwei Magnetfeldspulen (2, 22) aus einem gemeinsamen Oszillator (31) gespeist werden und daß die Detektorschaltung (Figur 2) auftretende Phasenwinkel-Differenz feststellt.
10. 10. Schalter nach Anspruch 9, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß der beide Magnetfeldspulen (2, 22) speisende Oszillator ein steuerbarer Oszillator (31).

    mit einem Tiefpaß (131) im Steuereingang (32) ist und daß eine Rückführung (36, 37, 38) vom Ausgang (33* 35) des Oszillators (31) sowie vom Ausgang (124) des Stromkreises mit der Rferenz-Magnetfeldspule (22) zum Steuereingang (32) des Oszillators (31) vorgesehen ist, so daß sich automatisch im Oszillator (31) eine Frequenz einstellt, bei der der Phasenwinkel zwischen dem Oså llatorsignal und dem an der Referenz-Magnetfeldspule (22) anliegenden Signal einen vorgegebenen Wert aufweist.