DE3228524C2 - Induktiver Annäherungsschalter - Google Patents

Abstract

Induktiver Annäherungsschalter mit Auswertung des Imaginärteils der auftretenden Verstimmung. Insbesondere sind wenigstens zwei Magnetfeldspulen (2, 22) in Kompensationsschaltung vorgesehen und betrieben.

Description

— daß zwei identische Magnetfeldspulen (2,22) so angeordnet sind, daß sich das Objekt (100) jeweils im wesentlichen nur der einen der Magnetfeldioulen annähen, während die andere Magnetfekispule als Referenzspule dient, und

— daß die zwei Magnetfeldspulen (2,22) aus einem gemeinsamen Oszillator (31) gespeist werden.

2. Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zu der einen Magnetfeldspule (22) ein ihr in definierbarer Lage gegenüberstehendes Objekt vorgesehen ist.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der beide Magnetfeldspulen (2, 22) speisende Osz-IIator ein steuerbarer Oszillator (31) mit einenvTietpaß (131) im Steuereingang (32) ist und daß eine Rückführung (36, '■/, 38) vom Ausgang (33,35) des Oszillators (31> sowie vom Ausgang (124) des Stromkreises mit der Rek enz-Magnetspule (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 Oszillatorsignal und dem an der Referenz-Magnetfeldspule (22) anliegenden Signal einen vorgegebenen Wert aufweist.

4. Schalter nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß zwei vorgesehene Magnetfeldspulen (2, 22) Rücken an Rücken axial zueinander angeordnet sind (F i g. 4).

5. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß von zwei Magnetfeldspulen (2,22) die eine Magnetfeldspule (22) der Rückseite der anderen Magnetfeldspule (2) zugewandt, axial zu dieser angeordnet ist (F i g. 3).

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 beruht. Es kann dies das kapazitive öder das induktive Prinzip sein. Solche Schalter können auch mit Lichtstrahlen oder Ultraschall arbeiten. In Prospekten der Siemens Aktiengesellschaft sind solche Schulter listcnmiißig angegeben.

Die dem Obei begriff des Patentanspruchs 1 /ugrundegelegte Druckschrift »Elektrotechnische Zeitschrift«, Ausgabe B, Band 4. Heft 9. 1952. 247 - 248. insbesondere Fig. b, zeigt einen nach dem Resonanzverfahren arbeitenden Annäherungsschalter mit Auswertung der auftretenden Phasendifferenz. Dieser Schalter besitzt nur eine einzige mit der noch nachfolgend zu beschreibenden Erfindung vergleichbare Magnetfeidspule, die aus dem ihr zugehörigen elektrischen Oszillator gespeist wird. Fig. 8 dieser Druckschrift zeigt zwar eine Anordnung mit zwei Magnetfeldspulen, die jedoch für eine Auswertung nach dem Schwebungsverfahren vorgesehen sind. Dementsprechend sind diese Spulen zwangsläufig aus zwei voneinander getrennten Schwingkreisen zu speisen, zu denen je ein eigner Osv.illator gehört. Diese Magnetfeldspulen können im übrigen voneinander unterschiedlich große elektrische Werte haben, da es nur auf die sich aus dem Produkt L · C ergebende Frequenz ankommt, nämlich die zusammen mit dem jeweiligen Frequenzwert des anderen Schwingkreises die für die Auswertung erforderliche Schwebungsfrequenz bewirkt.

Aus der DE-OS 25 38 531 ist ein weiterer Annäherungsschalter bekannt, der ebenso wie der Annäherungsschalter nach Fig. 6 der voranstehend erörterten Druckschrift nur eine einzige Magnetfeldspule besitzt. Auch beim Annäherungsschalter dieser DE-OS ist keinerlei Anlaß gegeben, mehr als diese eine Magnetfeidspule zu verwenden. Die voranstehend zum Stand der Technik erörterten Annäherungsschalter sind in sich abgeschlossene, komplexe und den gestellten Ansprüchen entsprechend voll funktionsfähige Vorrichtungen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Annäherungsschalter mit insbesondere für größere F.nlfernung hoher Ansprechempfindlichkeit anzugeben, bei dem trotz geringsten Schaltungsaufwandes diese Forderung und zusätzlich Temperaturunabhängigkeit erfüllt ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen gemäß Kennzeichnungstet! des Anspruchs 1.

Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es die Ansprechentfernung des Schalters in einfacher Weise einstellbar zu machen, ohne Änderungen sonstiger Justierungen des Schalters selbst durchführen zu müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt i.u einem wesentlichen Maß zugrunde, die Anforderungen an die für einen solchen Annäherungsschalter prinzipiell notwendige elektronische Detektorschaltung zu minimieren, ohne Einbuße an Exaktheit der Schaltfunktion hinnehmen zu müssen. Insbesondere soll mit der Erfindung gcwährlcistet sein, daß Temperatureinflüsse die betriebssichere Funktion des mit der Erfindung ausgerüsteten Schalters nicht beeinträchtigen können.

Bei der Erfindung sind zwei Spulen vorgesehen, von denen (jeweils) im wesentlichen nur die eine derselben der eigentliche Annäherungsschalter ist. Diese zwei Spulen können dabei auch so angeordnet sein, dali richtungsabhängige Annäherungsüberwachung durchgeführt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von zwei (oder noch mehreren) Spulen kann hier auch vorgesehen sein, der als Referenzspule angeordneten (zweiten) Spule ein definiertes einstellbares Objekt gegenüberzustellen, um damit nicht nur eine besondere Temperaturkompensation zu erreichen, sondern um damit auch (zu- sätzlich) eine Einstellbarkeit des Schalters zu realisieren. Günstig ist eine koaxiale Anordnung von zwei vorgesehenen Spulen, und insbesondere eine solche Anordnung, bei der die Rclerenzspule mit einem ihr gegenübergestellten Objekt so angeordnet ist. daß dieser Ke-

b¹; ferenzteil vom eigentlichen aktiven Teil des eifindungsgcmäßen Schalters unbccinflußbar bleibt.

Ein anwendbares Auswertcprin.ip ist die IXleHion der Schwebungsfrequcn/ zwischen den zwei vorgesehe-

nen Spulen, die eine jede dann einen eigenen Oszillator als Speisequelle hat. Es genügt aber, beide Spulen von einer gemeinsamen Oszülatorspannung zu speisen und die auft retende Differenz im Phasenwinkel als Deteklorkritcrium heranzuziehen.

Induktiv arbeitende Annäherungsschalter sprechen auf Annäherung elektrisch leitender Körper, insbesondere auf Metalls.-, an. Bekannte Schalter mit Auswertung der Schwingkrcisbedämpfung haben für Nichteisenmetalle den Nachteil geringer Empfindlichkeit. Erfindungsgemäß mit Verstimmung arbeitende Annäherungsschalter sprechen dagegen auf die vielen nicht-ferromagnetischen Stoffe ebenfalls gut an und haben entsprechend materialunabhängige Empfindlichkeit Dies gilt insbesondere auch für Aluminium, d. h. auch für Al-Folien, die als Aufkleber im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Annäherungsschalter verwendet werden können.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgend anhand der Figuren gegebenen Beschrsibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.

Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel mit nur einer Magnetfeldspule 2 mit offenem Schalenkern 3 aus ferromagnetischem Material, auf dessen zentralem Mittclstück 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 (elekirisch leifähigen) Objekts an die Magnetfeldspule 2 eine demen isprechende Verstimmung erfährt. Mit 11 ist ein Oszillator bezeichnet, der eine Wechselspannung mit fester Frequenz liefert, die auf die frequenzmäßige Mittellagc des aus Spule 5 und Kondensator 8 gebildeten Schwingkreises abgestimmt ist. Mit 12 und 13 sind Koppclkapa/.itätcn bezeichnet und die Bezugszeichen 14 und 15 geben CMOS-Gatter, die als Verstärker verwendet werden, an. Mit 16 ist ein D-Flipp-Flopp mit seinen Ansehlußkennziffern angegeben: Die Ausgangsschaltung 17, die am Ausgang Q angeschlossen ist, gibt ein Beispiel für Signalgabe mit der in ihr enthaltenen Lumineszenzdiode. Fakultativ kann auch eine sofehe oder ähnliche Schaltung am Ausgang Q angeschlossen werden.

Mil 18 isi eine Verbindungsleitung zwischen dem Oszillator U und dem Clock-Eingang des D-Flipp-FIopp 16 bezeichnet.

Diese in Fig. 1 angegebene Schaltung ist insbesondere für Phasenauswertung yeeignet. Eine durch Verstimmung des Schwingkreises 5, 8 hervorgerufene Phasenverschiebun.« gegenüber dir Ausgangsspannung des Oszillators Il wird im D-Flipp-Flopp 16 festgestellt.

F-'ig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit zwei Spulen. Soweit in I· i g. 2 Einzelheiten enthalten sind, die bereits zur F i g. I beschrieben sind, sei auf die dort gegebenen Hrliiulerungen hingewiesen.

Mil 81 ist ein der Kapazität 8 parallel geschalteter Abstimmkondensator bezeichnet. Der hier mit 31 insgesamt bezeichnete Oszillator ist mit einer Rückkopplungsspiinnung der Leitung 32 steuerbar (VCO-Oszillator). Zwischen seinem Ausgang 35 und dem Schaltungspunkl 33 ist fakultativ ein (weiteres) D-Flipp-Flopp 34 eingefügt, mit dem eine Rückwirkung vom Schaltungspuiikt 33 auf den Ausgang 35 des VCO-Oszillators, d. h. dessen l'requenz minimalisicrt werden kann. Eine solche Sperre 34 gegen unerwünschte Rückwirkung kann im übrigen auch bei einer Ausführungsform nach F i g. 1 vorgesehen sein.

Mit 22 isi insgesamt ein /weite Magnetfeidspule bezeichnet, die vorzugsweise identisch der Magnelfeldspule 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. Die mit 124 und 125 bezeichneten CMOS-Gatter entsprechen den 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 Ausführungsbeispiels nach Fig. 1. In diesem in Fig.2 hinzugekommenen Schaltungsteil wird ebenfalls wie in dem Schaltungskreis mit den Elementen 12 bis 15 und der Spule 2 ein Rechtecksigna! 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 Temperaturverändarungen hervorgerufene Frequenzänderungen im Schwingkreis der Spule 25 wiken sich auch im Schwingkreis der Spule 5 aus, wofür ein«, räumlich benachbarte Anordnung dieser Magnetfeldspulen 2 und 22 vorgesehen ist. Es tritt damit eine Temperaturkompensation auf.

Für oj.iimale 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.

Ji Die in F i g. 2 angegebene Schaltung ist wiederum auf Phasenvergleich im D-Flipp-Flopp 16 abgestellt. Eine solche Schaltung ist besonders preiswert, obwohl sie dennoch eine sehr hohe Zuverlässigkeit und Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse hat. Die Detektorschwelle dieser Schaltung der F i g. 2 ist relativ niedrig. Die Schaltung bewirkt hohe Ansprechempfindlichkeit für den eigentlichen Annäherungsschalter mit der Magnetfeldspule 2.
A's geeignete Oszillatorfrequenz haben sich Werte zwischen 60 kHz und 1 MHz erwiesen.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 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 Rückkopp-

*5 lung 3638 die Erzeugung einer Nachstimm-Spannung bei Abweichen der Phase zwischen der Referenzspule 25 und dem VCO-Oszillator31 vorgesehen.

Die Ausführungsformen der F i g. 1 und 2 arbeiten mit Phasendifferenz-Ausivertung. In prinzipieller ähnlicher Weise kann auch mit Auswertung der Frequenzverstimmung gearbeitet werden. Bei einem der F i g. 1 analogen Beispiel wird die Frequenzverstimmung der Magnetfeldspule 2, die wiederum von einem Oszillator gespeist wird, mit beispielsweise einer Frequen^zähier-Schaltung festgestellt. Bei einer der F i g. 2 analogen Ausführungsform mit Magnetfeldspule 2 und Referenzspule 22 kann eine jede Spu!. 2, 22 von einem getrennten Oszillator gespeist werden. Die Differenzfrequenz, die als Differenz der Frequenzwerte der Ausgangsspannungen der beiden Zweige auftritt, kann als Schwäbefrequenz 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 Frequenzieilung erfolgt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausgestaltungen zu

einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Magnetfeldspulen.

F i g. 3 zeigt eine koaxiale Anordnung, in der die beiden Magnetfeldspulen 2, 22 hintereinanderliegend in einem Rohr angeordnet sind. Die offene Seite des Sch;;· > lenkerns der Magnetfeldspule 2 ist dem gestrichelt dargestellten Objekt 100 zugewandt, auf dessen Annäherung der Annäherungsschalter 1 ansprechen soll. Der Referenz-Magnetfeldspule 25 gegenüber ist in dem Rohr 101 ein Bezugs-Objekt 102 gegenüberliegend zu- in geordnet. 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 F i B. 4 zeigt eine Anordnung hfi drr clip hpidrn 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 Anordnug in bezug auf die beiden Magnetfeldspulen 2 und 22 kann eine jede derselben die eigentliche Annäherungs-Detektorfunktion ausführen, d. h. den eigentlichen feil des Annäherungsschalters bilden. Es können hier sogar beide Magneifeldspulen Detektorwirkung ausüben, je nachdem, ob ein Objek; 100 von der einen (in der F i >:■ 4 rechten) Seite her oder von der anderen Seite her (gestrichelt dargestellt) an den Annäherungsschalter herangeführt wird. so

Ein Schalter mi; erfindungsgemäßer Auswertung des Imaginärteils der Verstimmung hat den Vorzug, daß der Ansprech-Abstand vom Objekt praktisch unabhängig vom Metall des Objekts ist, d. h. ferromagnetische Körper und nichtferromagnetische Körper im wesentlichen j5 mit gleichem Schaltabstand erfaßt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Berührungslos und kontaktlos, induktiv arbeitender Schalter zur Überwachung der Annäherung eines Objekts, das elektrisch leitende Eigenschaft hat, mit einer Magnetspule, die Teil eines elektrisch gespeisten Schwingkreises ist, und mit einer elektronischen Detektorschaltung zur Überwachung des Schwingverhaltens der Magnetspule, wobei die Detektorschaltung bei Annäherung des Objekts die auftretende Phasenwinkeldifferenz auswertet, g e kennzeichnet dadurch,