DE3244507C2

DE3244507C2 - Magnetfeldabhängiger induktiver Näherungsschalter

Info

Publication number: DE3244507C2
Application number: DE19823244507
Authority: DE
Inventors: Gerno 5884 Halver Soyck
Original assignee: Werner Turck & Co Kg 5884 Halver De GmbH
Current assignee: Werner Turck & Co Kg 5884 Halver De GmbH
Priority date: 1981-12-08
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1986-02-27
Also published as: DE3244507A1

Abstract

Ein magnetfeldabhängiger induktiver Näherungsschalter (20) welcher eine Spulenanordnung (16) mit einem ferromagnetischen Kern (17), der sättigungsempfindlich gegenüber dem zu erfassenden Magnetfeld ist, und eine elektronische Auswertschaltung (3, 4, 5) zur Auslösung eines Schaltvorganges bei einer bestimmten Kernsättigung aufweist, soll derart ausgebildet werden, daß sein Strombedarf sehr gering ist, z.B. in der Größenordnung 0,1 bis 5,0 Milliampere liegt, und daß mit ihm durch eine nichtferromagnetische Wand (23) hindurch ein Magnetfeld erfaßt und zur Auslösung von Schaltvorgängen ausgenutzt werden kann. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Spulenanordnung (16) das induktive Glied einer Hochfrequenz-Oszillatorschaltung (1) ist, deren Hochfrequenzschwingungsfeld zur Seite des zu erfassenden Magnetfeldes hin im wesentlichen innerhalb des Schalters (20) eingeschlossen ist und deren vom Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude von der Auswertschaltung (3, 4, 5) erfaßt wird, welche bei Unterschreiten eines Amplitudengrenzwertes den Schaltvorgang auslöst.

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetfeldabhängigen, induktiven Näherungsschalter, welcher aus einem Hochfrequenz-Oszillator, dessen Oszillator-Spule einen gegenüber dem zu erfassenden Magnetfeld sättigungsempfindlichen Kern aufweist, und aus einer Auswertschaltung besteht, die die von dem Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplhude erfaßt und bei Unterschreiten eines bestimmten Amplituden-Grenzwertes einen Schaltvorgang auslöst.

Durch die FR-OS 24 25 648 ist ein magnetfcldabhängigcr Schalter bekannt, bei dem der magnetische Kern als geschlossener Ringkern ausgebildet ist, der von einer Snulc umschlossen ist. die mit Wechselstrom von etwa 5OmA und einer Frequenz von 1OkHz gespeist wird. Durch einen sich annähernden Permanentmagneten wird der Ringkern in Sättigung getrieben und damit die Induktivität geändert Der von der Induktivität abhängige Spannungsabfall an den Spulenenden wird als Signal zur Auslösung eines Schaltvorganges verwendet Dieser Schalter kann zwar von einem Permanentmagnet durch eine nichtferromagnetische Wand hindurch ausgelöst werden, jedoch erfordert der Schalter einen hohen Versorgungsstrom, weshalb er beispielsweise bei komplizierten, mit vielen Hydraulik- oder Pneumatikeinrichtungen versehenen Fertigungsautomaten mit ihren oft einigen hundert Annäherungs-Meßstellen nicht eingesetzt werden kann. Außerdem ist der Aufbau derartiger Schalter kompliziert.

Für Annäherungs-Meßstellen sind induktive Annäherungsschalter bekannt, die einen Hochfrequenzoszillator aufweisen, dessen Hochfrequenzfeld ein Sensorfeld für einen sich annähernden metallischen Auslöser bildet Dem Hochfrequenzfeld wird durch den eintauchenden Auslöser Energie entzogen, was eine Dämpfung des Schwingkreises und damit eine Änderung des Steuerpotentiales für den elektronischen Schalter zur Folge hat. Bei solchen, beispielsweise durch die DE-PS 19 24 279 und 28 27 951 bekannten Annäherungsschaltern kann aber eine Auslösung nicht durch eine Metallwand hindurch, beispielsweise durch die Wandung eines V2A-Stahlbehälters hindurch erfolgen, da eine solche Metallwand vom elektromagnetischen Hochfrequenzfeld nicht mehr so durchdrungen wird, daß auf der Rückseite der Metallwand noch mittels einer Metallfahne oder dgl. eine Bedämpfung oder Verstimmung des Schwingkreises des Annäherungsschalters bewirkt werden könnte.

Durch die DE-AS 27 39 967 ist ein Annäherungsschalter bekannt bei welchem der Schwingkreis eines Hochfrequenzoszillators so innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, daß Metalle und andere Gegenstände nur eine sehr geringe, zum Auslösen eines Schaltvorganges nicht ausreichende Dämpfung oder Verstimmung bewirken. Die Auslösung erfolgt dort durch Annäherung eines speziellen, auf den Hochfrequenzoszillator abgestimmten Auslöseschwingkreises, womit dort sichergestellt wird, daß durch beliebige fremde Gegenstände kein Schaltvorgang ausgelöst werden kann. Auch dieser bekannte, zwei Hochfrequenzoszillatoren umfassende Annäherungsschalter ist nicht als ein durch eine Metallwand hindurchwirkender Schalter einsetzbar, da die beiderseitigen Hochfrequenzfelder durch eine solche Metallwand störend gedämpft und abgeschnitten würden.

Durch die DE-PS 28 29 880 ist ferner ein elektronischer, berührungslos arbeitender Sicherheitsschalter mit einem von außen beeinflußbaren Oszillator bekannt, bei welchem das Auslöseglied ein schalenförmiger Ferritkern ist, der das Gegenstück zum Ferritkern des Oszillators bildet.

Der Rückkopplungswiderstand ist dort so eingestellt, daß die Amplitude der Schwingung sehr klein wird. Taucht ein Metallteil in das Hochfrequenzfeld ein, reißen in üblicher Weise die Schwingungen ab, was dort aber nicht zur Erzeugung eines Signales ausgenutzt wird. Taucht dort dagegen der Auslöser-Ferritkern in das Hochfrequenzfeld ein, steigt die Amplitude der Schwingung so stark an, daß ein Ausgangsrelais anb5 spricht. Auch dieser Sicherheitsschalter ist nicht cinsetzbar in Fällen, in denen durch eine Mctallwand hindurch Schaltvorgänge ausgelöst werden sollen.

Durch die DE-AS 12 87 125 ist weiterhin eine Anord-

3 4

nung zum Betätigen eines elektronischen Näherungs- senen Magnetkreis vor.

schalters bekannt Der Näherungsschalter weist dort Nach einer alternativen Ausführungsform der Erfin-Lwei Oszillatorspulen mit jeweils offenem Ferritkern dung kann der Magnetkern am Übergang von Zentralauf, die über einen Luftspalt hinweg in Rückkopplung teil und Boden mit einer Querschittseinengung versehen stehen. Durch eine äußere, schaltbare Magaeteinrich- 5 sein. Es genügt, wenn nur ein kleiuer Teilbereich des lung_v die hufeisenförmig ausgebildet ist und die Ferrit- Oszillatormagnetkerns in die Sättigung gebracht wird, kerne des Näherungsschalters zwischen .sich einschließt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgekönnen die Ferritkerne in magnetische Sättigung getrie- sehen werden, daß dem Schalter ein äußerer, im festen ben und hierdurch das Schwingverhalten des Oszillators Abstand angeordneter Elektro- oder Permanentmagnet durch Änderung der Rückkopplung geändert werden 10 als Auslösemagnet zugeordnet ist und daß eine beweglilnfolge des b/eiten Luftspaltes zwischen den beiden ehe, ferromagnetische Kurzschlußbrücke zur Abschir-Ferritkernen des Oszillators sind jedoch ein starkes, ge- mung oder Freigabe des Magnetfeldes des Auslösemarichtetes äußeres Auslösemagnetfeld und eine verhält- gneten zwischen Schalter und Auslösemagnet als einismäßig hohe Energieversorgung für den Oszillator er- gentlicher Schaltauslöser vorgesehen ist forderlich, was einen Einsatz als Annäherungs-Sensor 15 Durch die Erfindung wird die bisher bei induktiven und -Schalter bei Fertigungsstraßen nicht erlaubt Zu- Annäherungsschaltern im allgemeinen als gefährlicher dem sind solche Anordnungen kaum zur Auslösung Störeinfluß gefürchtete Einwirkung äußerer Magnetfeldurch eine nichtferromagnetische Metallwand, z. B. Be- der nutzbar gemacht um den Oszillatorschwingkreis hälterwand, hindurch geeignet durch eine trennende Metallwand hindurch bedampfen

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ma- 20 zu können, um so gezielt Schaltvorgänge auszulösen, gnetfeldabhängigen, induktiven Näherungsschalter zu Der Schalter nach der Erfindung ist in seiner Einsatzschaffen, dessen Strombedarf sehr gering ist, z. B. in der möglichkeit vergleichbar einem Reedkontaktschalter, Größenordnung von 0,1 bis 5,0 Milliampere liegt und also bipolar ansteuerbar, wobei aber die Nachteile des mit dem durch eine nichtferromagnetische Metallwand Reedkontaktschalters, nämlich eine mögliche Fehlbetähindurch, z. B. bei pneumatischen Zylindern, ein Ma- 25 tigung bei mechanischen Erschütterungen oder ein gnetfeld erfaßt und zur Auslösung von Schaltvorgängen mögliches Festkleben der Kontakte, vermieden sind. Bei ausgenutzt werden kann. Verwendung e>nes Permanentmagneten ist vorteilhaft.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vor- daß es sich hier um ein passives Teil handelt, das keine

gesehen, daß der Kern als in sich geschlossener Ferrit- eigene Stromversorgung benötigt. Ein weiterer großer kern ausgebildet ist in dessen Magnetkernmaterial das 30 Vorteil des Magnetfeldschalters nach der Erfindung be-

Schwingkreismagnetfeld vollständig eingeschlossen ist steht darin, daß dieser, falls er nur durch einen Auslöse-

und der mindestens an einer Stelle eine besonders sätti- magneten bzw. durch ein äußeres Magnetfeld betätig-

gungsempfindliche Querschnittseinengung aufweist bar sein soll; nunmehr vollständig in einem Metallge-

Der Schalter nach der Erfindung ist preiswert her- häuse, z. B. aus korrosionsbeständigem V2A-Stahl, einstellbar und durch einfache, preiswerte Magnete betä- 35 gekapselt werden kann, so daß der Schalter gegenüber tigbar, wobei je nach Art des benötigten Oszillators, nur Korrosionsangriffen, Funkenflug, hohen hydraulischen ein geringer Versorgungsstrom in der Größenordnung Drücken usw. völlig unempfindlich gemacht werden von 0,1 bis 5 Milliampere erforderlich ist Da die Oszilla- kann. Der Schalter ist zudem unempfindlich gegen ma· torschwingungen sprunghaft bei einer bestimmten gnetische Übersteuerung. Zum Aufbau des erfindungs-Kernsättigung an der Querschnittseinengung des in sich 40 gemäßen Magnetschalters kann von praktisch jedem geschlossenen Ferritkernes abreißen, kann der Schalter bekannten Typ von induktiven Näherungsschaltern ausmit hoher Ansprechgenauigkeit hergestellt werden. An gegangen werden, z.B. Gleichstrom (DC)-, Wechselder Querschnittseinengung, an der bereits eine Magnet- strom (AC)-, Allstrom- oder NAMUR-Typen. flußdichte vorliegt, kann durch ein schwaches äußeres Schließlich kann der Schalter nach der Erfindung Magnetfeld bereits eine Sättigung bewirkt werden, was 45 auch als Überstiomwächter bei Hochspannungsleitunein öffnen des Magnetkreises imitiert Da die Induktivi- gen verwendet werden.

tat bei einem geschlossenen Magnetkern um etwa zwei Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer in Zehnerpotenzen größer ist als bei einem offenen Ma- der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele begnetkern, spricht der Oszillator sehr empfindlich auf ei- schrieben. In der Zeichnung zeigt ne Sättigung an der Einengungsstelle an. Der Schalter 50 Fig. 1 einen Schalter nach der Erfindung, nach der Erfindung bietet da er durch nichtferromagne- F i g. 2 eine perspektivische Darstellung des Ferrittische Meiallwände hindurch betätigt werden kann, völ- kernes des Schalters nach F i g. 1, lig neuartige Verwendungsmöglichkeiten als Annähe- Fig.3 eine Verwendungsmöglichkeit des Magnetrungsschalter. schalters nach F i g. 1,

Bei dem Schalter nach der Erfindung besteht der Fer- 55 F i g. 4 einen als Annäherungsschalter ausgebildeten

ritkern vorzugsweise aus einem Ferrittopf in Form eines Schalter nach der Erfindung,

Schalen-,Q-, RM- oderX-Kernes mit Mittelbutzen.wel- Fig.5 eine abgewandelte Ausführungsform eines als

eher an seiner offenen Seite durch ein Joch kurzge- Annäherungsschalter ausgebildeten Schalters nach der

schlossen ist. Ein solches Kurzschlußjoch kann dabei aus Erfindung,

einem identischen Ferrittopf bestehen, wobei beide Fer- 60 Fig. 6 eine abgewandelte Ausführungsform eines rittöpfe mit ihren offenen Seiten gegeneinander gesetzt Ferrittopfes nach der Erfindung und sind. Das Kurzschlußjoch kann aber auch plattenförmig F i g. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Kurzausgebildet sein, den Ferrittopf beidseitig überragen schlußjoch.

und mit verbreiterten Enden zum verstärkten Einfangen F i g. 1 zeigt einen Schalter, der weitgehend in Anleh-

eines äußeren Magnetfeldes versehen sein und in sei- 65 nung an einen induktiven Näherungsschalter aufgebaut

ncm zentralen Bereich eine Querschnittseinengung auf- ist, wie dieser beispielsweise in der DE-AS 29 43 911

weisen. An dieser Querschnittseinengung liegt somit ei- beschrieben ist. Der Schalter besteht in seinem grund-

ne besonders sättigungsempfindliche Stelle im geschlos- sätzlichen Aufbau aus einer Oszillatorschaltung 1 mit

einem Ferritkern 2, einem Schaltverstärker 3, einem elektronischen Schaltglied 4, z. B. einem Transistor, Thyristor oder Triac, und aus einer Speiseschaltung 5 zur Erzeugung der Speisespannung für den Oszillator 1 und den Schaltverstärker 3. Die Frequenz des Oszillators 1 liegt zwischen 50 kHz bis 5 Mega Hz.

Der Ferritkern 2 besteht aus einem Schalenkern oder Ferrittopf 6 mit zentralem Pol 7 und den beiden äußeren Polen 8,8 und — abweichend vom Stand der Technik — zusätzlich aus einem den Ferrittopf 6 überbrückenden Kurzschlußjoch 9, welches an beiden Enden den Ferrittopf weit überragt und an seinen Enden 10, 11 stark verbreitert und auch materialmäßig verdickt ist. Das Joch 9 ist im mittleren Bereich auf etwa den Außendurchmesser des Ferrittopfes 6 eingeengt und in seinem !5 zentralen Bereich mit einer besonders dünnen, sättigungsempfindlichen Stelle 12 versehen, an der die Materialstärke des Joches beispielsweise nur noch einige zehntel Millimeter beträgt.

F i g. 3 veranschaulicht einen Einsatz des Magnetschalters als Überstrom wächter bei einer z. B. 100 000 V-Leitung, bei der die drei Stromschienen RST in einem Siliziumhexafluorid enthaltenden Aluminiumrohr 13 verlaufen. Der Schalter 14 ist hier mit seinem Kurzschlußjoch 9 auf das Aluminiumrohr 13 aufgesetzt, wozu beim Ausführungsbeispiel der Anlageseite des Kurzschlußjoches 9 die Krümmung des Rohres 13 gegeben ist. Das Kurzschlußjoch 9 ist mit seiner Längsachse in Umfangsrichtung des Rohres 13 orientiert und ist damit optimal auf ein Auffangen der ringförmigen Magnetfelder der Stromschienen RST orientiert. In ungestörtem Betrieb schwingt der Oszillator, wobei sein elektromagnetisches Schwingungsfeld im wesentlichen nur innerhalb des die Spule 15 vollständig umschließenden Ferritkernes 2 verläuft Im zentralen Bereich des Joches 9 liegt wegen der Querschnittseinengung dann bereits eine Flußdichte vor, durch die aber eine Sättigung noch nicht bewirkt wird. Tritt ein Kurzschluß bei der Hochspannungsanlage auf, fängt das Kurzschlußjoch 9 das dabei auftretende, verstärkte Magnetfeld auf, das wegen der Querschnittseinengung im zentralen Bereich des Kurzschlußjoches 9 zu einer so hohen Flußdichte führt, daß es dort zu einer Sättigung kommt Dadurch wird der Oszillatorschwingkreis in einem so starken Maße verstimmt, daß die ihm nachgeschaltete elektronische Auswertschaltung 3, 4, 5 ein Schaltsignal liefert. Da die aus Magnetkern 2 und Spule 15 bestehende Spulenanordnung 16 das induktive Glied eines Schwingkreises ist weist der Schalter eine hohe Ansprechempfindlichkeit und -genauigkeit auf. Bei dem beschriebe-ηεη Anwendungsbeispie! können Ferritschalenkerne bzw. Ferrittöpfe 6 mit einem Außendurchmesser von z. B. 5,5 m eingesetzt werden und kann der gesamte Schalter dementsprechend sehr klein gebaut wrden.

F i g. 4 veranschaulicht einen Schalter, dessen Kern wiederum aus einem Ferrittopf 17 und einem magnetischen Kurzschlußjoch 18 mit einer Querschnittseinengung 19 im zentralen Bereich besteht Dem Schalter 20 ist ein Auslösemagnet 21 zugeordnet welcher senkrecht in Richtung des Pfeiles 22 auf das Kurzschlußjoch 18 zubewegbar ist und eine solche Feldstärke aufweist, daß bei Überschreiten des Ansprechabstandes A der Kern wiederum im Bereich seiner Querschnittseinengung 19 in eine Sättigung getrieben und hierdurch ein Schaltsignal bewirkt wird. Infolge der Einkapselung des Oszillatorschwingfeldes innerhalb des Ferritopfes 17 und des Kurzschlußjoches 18 ist der Schalter unempfindlich gegenüber der Annäherung von Metall. Dies bedeutet daß der Schalter 20 vom Magneten 21 auch durch eine nichtferromagnetische Metallwand, z. B. eine V2A-Behälterwand 23 hindurch ausgelöst werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist dem Schalter 20 ein gleicher Permanentmagnet 2Γ wie beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 zugeordnet, der hier aber innerhalb der Ansprechzone A stationär befestigt ist. Zwischen dem Auslösemagneten 21' und einer nichtferromagnetischen Metallwand 23 ist eine bewegliche Platte 24 aus ferromagnetischem Material angeordnet, welche in der gezeigten Stellung nach Fig.5 das Magnetfeld des Permanentmagneten 21' kurzschließt, so daß der Oszillator mit seiner normalen Frequenz schwingen kann. Wird die ferromagnetische Platte 24 weggezogen, treibt der Permanentmagnet 21' sofort den eingeengten Querschnittsbereich 19 in magnetische Sättigung.

F i g. 6 zeigt einen schalenförmigen Ferrittopf 42, zwischen dessen Zentralteil 43 und Randteil 44 eine Spule 45 aufgenommen ist. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist der Ferrittopf 42 an der Übergangsstelle zwischen seinem Zentralteil 43 und Boden 46 mit einer Einschnürung 52 versehen, innerhalb der der Ferrittopf 42 verhältnismäßig rasch in die Sättigung getrieben wird. Selbstverständlich kann der verwendete Magnetkern auch an anderen Stellen, z. B. an seinen Polen oder am Übergang vom Boden zu Randteil, mit Querschnittseinengungen zur Erhöhung der örtlichen Magnetflußdichle versehen sein.

F i g. 7 zeigt in Draufsicht ein plattenförmiges Kurzschlußjoch 68, das in der Mitte bis auf den Durchmesser des gestrichelt angedeuteten Mittelbutzens 69 eines Ferrittopfes 6 eingeengt ist, so daß dort eine besonders hohe magnetische Flußdichte und damit eine besonders sättigungsempfindliche Stelle vorliegen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Magnetfeldabhängiger, induktiver Näherungsschalter, bestehend aus einem Hochfrequenz-Oszillator, dessen Oszillator-Spule einen gegenüber dem zu erfassenden Magnetfeld sättigungsempfindlichen Kern aufweist und aus einer Auswertschaltung, die die von dem Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und bei Unterschreiten eines bestimmten Amplituden-Grenzwertes einen Schaltvorgang auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern als in sich geschlossener Ferritkern (2) ausgebildet ist, in dessen Magnetkernmaterial das Schwingkreismagnetfeld vollständig eingeschlossen ist und der mindestens an einer Stelle eine besonders sättigungsempfindliche Querschnittseinengung (12) aufweist.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkern (2) aus einem Ferrittopf (6) in Form eines Schalen-, Q-, RM- oder X-Kerns mit Mittelbutzen (7) besteht, welcher an seiner offenen Seite durch ein joch (9) kurzgeschlossen ist.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Ferritkern aus zwei identischen Ferrittöpfen (6) besteht, die mit ihrer offenen Seite gegeneinander gesetzt sind.

4. Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußjoch (9) den Ferrittopf (6) beidseitig überragt und mit verbreiterten Enden (10, 11) zum verstärkten Einfangen eines äußeren Magnetfeldes versehen ist und in seinem zentralen Bereich eine sättigungsempfindliche Querschnittseinengung (12) aufweist.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferrittopf (42) am Übergang von Zentralteil (43) und Boden (46) mit einer Einschnürung (52) versehen ist.

6. Schalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ihm ein äußerer, in festem Abstand angeordneter Elektro- oder Permanentmagnet (21') als Auslösemagnet zugeordnet ist und daß eine bewegliche, ferromagnetische Kurzschlußbrücke (24) zur Abschirmung oder Freigabe des Magnetfeldes des Auslösemagnetes (2Γ) zwischen Schalter (20) und Auslösemagnet (21') als .Schaltauslöser vorgesehen ist.

7. Schalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Überstromwächter bei Hoch- und Niederspannungsleitungen.