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Induktiver elektronischer
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Näherungsschalter Die Erfindung betrifft einen induktiven elektronischen
Näherungsschalter mit einem einen Schwingkreis mit einer Schwingkreisspule aufweisenden
Oszillator, mit einem Demodulator zum Gleichrichten der Ausgangsspannung des Oszillators,
mit einer mit dem Ausgang des Demodulators verbundenen Kippstufe und mit Xompensationseinrichtungen
zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Spulengüte der Schwingkreisspule.
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Bekannte induktive- elektronische Näherungsschalter weisen normalerweise
außer dem Oszillator, dem Demodulator und der Kippstufe keine besonderen Kompensationseinrichtungen
zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Spulenkreise der Schwingkreisspule
auf. Dies hat zur Folge, daß der maximale Ansprechabstand, bei dem der Näherungsschalter
noch mit Sicherheit auf einen Gegenstand anspricht, der in das Magnetfeld der Spule
seines Oszillators gebracht wird, entsprechend dem in Abhängigkeit von der Temperatur
ungünstigsten Wert gewählt werden muß, so daß der Ansprechabstand bzw. der Schaltabstand
derzeit für derartige Näherungsschalter etwa 50% des Spulendurchmesse-rs beträgt.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, bei Näherungsschaltern der vorstehend
betrachteten Art Kompensationseinrichtungen vorzusehen, um die Abhängigkeit der
Spulengüte von der Temperatur zu verringern. Insbesondere wurden die drei nachstehend
angegebenen Kompensationsverfahren vorgeschlagen: 1. Der Temperaturgang der Güte
des Kondensators im Schwingkreis des Oszillators wird so gewählt, daß er dem-temperaturabhängigen
Verlauf der Spulengüte etwas entgegenwirkt; 2. die Schwingkreisspule wird konstruktiv
so ausgebildet, daß die Anderung ihrer Güte in Abhängigkeit von der Temperatur möglichst
klein ist, was sich in gewissem Umfang durch die richtige Wahl der Litze bzw, des
Drahtes für d-ie Spule, des Ferritmaterials für den Spulenkern und die der gußmasse
für das Vergießen der Spule erreichen lässt; 3. die Temperaturkompensation wird
mit Hilfe eines Heiß leiters durchgeführt, dessen Temperaturgang gemäß dem früheren
Vorschlag, jedoch nicht unmittelbar dem Ausgleich -der temperaturabhängigen Anderung
der Schwingkreisgüte dient, sondern der temperaturabhängigen Änderung der Verstärkung
des Verstärkers des Oszillators, wobei dieser Verstärker in der Praxis häufig ein
Transistor ist.
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Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend zusammenfassend wiedergegebenen
früheren Vorschläge zur Kompensation des Temperaturgangs der Güte der letztlich
nicht zu einem befriedigenden Ergebnis führen und nicht zu einer deutlichen Vergrößerung
des maximalen Schaltabstandes beitragen.
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Andererseits werden berührungslos }arbeitende Näherungsschalter heute
in zunehmendem Umfang für solche Aufgaben eingesetzt, bei denen es auf einen relativ
großen Schaltabstand ankommt, beispielsweise zum Erfassen von Gegenständen, die
auf einem Transportband an dem Näherungsschalter vorbeibewegt werden, wobei die
Lage der Gegenstände auf dem Transportband bezüglich des Näherungsschalters deutlich
variieren kann, so daß ein sicheres Ansprechen des Näherungsschalters bei einem
maximalen Schaltabstand von nur etwa 50% des Spulendurchmessers nicht gewährleistet
ist.
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Ähnlich ist die Situation dort, wo- der Näherungsschalter zum Erfassen
von relativ schweren und ungenau positionierten Gegenständen eingesetzt wird, so
daß ein gewisser. Sicherheitsabstand eingehalten werden muß, damit eine Beschädigung
des Näherungsschalters durch den zu erfassenden Gegenstand mit Sicherheit ausgeschlossen
werden kann. Auch in diesem Fall ist ein relativ großer Schaltabstand wünschenswert,
da zusätzlich zu den Toleranzen hinsichtlich der Positionierung des zu erfassenden
Gegenstandes noch der genannte Sicherheitsabstand überbrückt werden muß.
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Ausgehend vom Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen induktiven elektronischen Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art
dahingehend zu verbessern, daß gegenüber den bekannten bzw den früher vorgeschlagenen
Näherungsschaltern eine deutliche Vergrößerung des Schaltabstandes erreichbar ist
Diese Aufgabe wird bei einem Näherungsschalter der eingangs beschriebenen Art gemäß
der Erfindung dadurch gelöst, daß die omp'ensationseinrichtungen ein spannungsgesteuertes
Dämpfungsglied für den Schwingkreis des Oszillators und eine Steurspannungsstufe
zum Erzeugen einer temperaturabhängigen Steuer spannung für das Dämpfungsglied umfassen.
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Der entscheidende Vorteil eines Näherungssc halters gemob der Erfindung
besteht dabei darin, daß durch die direkte Kompensation der Temperaturabhängigkeit
der Güte der Schwingkreisspule ein nachteiliger Einfluß ton Temperaturä nderungen
auf den Ansprec hab stand weitestgehend unterdrückt wird, so daß sich letztlich
ein Schaltabstand erreichen -lässt, der etwa zum Spu lendurchmesser entspricht und
damit praktisch doppelt so groß ist wie bei den bekannten bzw den früher vorgeschlagenen
Näherungsschaltern Besonders vorteilhaft ist es, wenn dasDämpfungsglied bei einem
erfindungsgemäßen Näherungsschalter eine mit der temperaturabhängigen Steuer spannung-
beaufschlagbare
Rapazitätsdiode aufweist, da dieses Halbleiterbauelement
besonders gut dazu geeignet ist, eine temperaturabhänw gige Änderung der Spulengüte
zu kompensieren. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die
Kapazitätsdiode in Reihe mit einem Kondensator und einem Widerstand, deren Kapazität
bzw. Widerstandswert entsprechend den Schwingkreisparametern gewählt sind, unmittelbar
parallel zum Schwingkreis geschaltet wird.
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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die von der Steuerspannungsstufe
erzeugte temperatura abhängige Steuer spannung an die Kapazitätsdiode über einen
Vorwiderstand angelegt wird, der für die erforderliche Entkoppelung zwischen dem
Däpfungsglied und der Steuerspannungsstufe sorgt.
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Was die Realisierung der Steuerspannungsstufe selbst anbelangt, so
hat es sich als vorteilhaft erwiesen; den Temperaturgang der benötigten Steuer spannung
mittels einer Kurve anzunähern, die abschnittsweise entsprechend dem Temperaturgang
verschiedener elektrischer Bauelemente, wie z.B. Heißleiter, Dioden usw., angenähert
wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn durch eine entsprechende
logische Schaltung zwangsläufig dafür gesorgt wird, daß für jeden vorgegebenen
Temperaturbereich
dasjenige Bauelement ausgewählt wird, dessen Temperaturgang in diesem Bereich dem
gewünschten Temperaturgang der Steuerspannung entspricht. Dabei besteht in Ausgestaltung
der Erfindung die Möglichkeit, eine Unterteilung der Steuerspannungskurve in sehr
kleine Stufen durchzuführen, wenn man als logische Schaltung einen Mikroprozessor
einsetzt und die Spannungswerte bzw. die Funktionen des Spannungsverlaufs für die
einzelnen Kurvenabschnitte in einem geeigneten Speicher ablegt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Es zeigen: Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild eines Näherungsschalters; Fig.
2 ein Prinzipschaltbild des Oszillators eines Näherungsschalters gemäß Fig. 1, wobei
letzterer durch ein Dämpfungsglied der erfindungsgemäß vorgesehenen Kompensationseinrichtungen
ergänzt ist; Fig. 3a - 3c drei verschiedene Ausführungsformen von Steuerspannungsstufen
zur Erzeugung einer temperaturabhängigen Steuerspannung gemäß einer vorgegebenen
Kennlinie und
Fig. 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform
einer Steuerspannungsstufe als Bestandteil von Kompensationseinrichtungen gemäß
der Erfindung.
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Im einzelnen zeigt das Blockschalthild gemäß Fig. 1, daß ein induktiver
elektronischer Näherungsschalter aus einem Oszillator 10, einem Demodulator 12 und
einer Kippstufe 14 aufgebaut ist, wobei der Demodulator 12 zum Gleichrichten der
Ausgangsspannung des Oszillators dient und wobei die Kippstufe 14 mit dem Ausgang
des Demodulators 12 verbunden ist.
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Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Oszillator selbst aus einem Schwingkreis
16 und einem Verstärker 18, wobei der Schwingkreis 16 eine Schwingkreisspule L1
und einen Kondensator C1 aufweist und wobei die Schwingkreisspule L1 in bekannter
Weise (vgl. beispielsweise DE-AS 24 61 169) als ein übertrager mit einer Mittelanzapfung
ausgebildet ist, die mit dem einen Anschluß eines einstellbaren Rückkopplungswiderstandes
Rx verbunden ist, dessen anderer Anschluß am Ausgang des Verstärkers 18 liegt, der
in Fig. 2 als Operationsverstärker dargestellt ist. Als Bestandteil des Oszillators
ist in Fig. 2 ferner ein über gestrichelte Linien angeschlossener Widerstand Rp
dargestellt, der den Ohm'schen Widerstandswert der Spule La bzw des bertragers symbolisiert.
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Wie Fig. 2 weiter zeigt, liegt parallel zum Schwingkreis 16, d.h.
parallel zu der Spule L1 und dem Kondensator C1 die Reihenschaltung eines Widerstandes
Rk, eines Kondensators c und einer Kapazitätsdiode Cdl v wobei diese Elemente zu
den Kompensationseinrichtungen gemäß der Erfindung gehören, und zwar speziell zu
einem Dämpfungsglied, dem von einer ebenfalls zu den Kompensationseinrichtungen
gehörigen Steuerspannungsstufe (siehe Fig. 3 und 4) eine temperaturabhängige Steuerspannung
U5 zuführbar ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird diese Steuerspannung
U5 über einen Vorwiderstand Rv mit einem relativ hohen Widerstandswert von etwa
0,5 M Ohm an die Kapazitätsdiode Cd angelegt.
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Wenn der in Fig. 2 gezeigte Oszillator; der als induktive Dreipunktschaltung
ausgebildet ist, abgeglichen ist, dann ist die Güte des Schwingkreises, die den
Schaltabstand bestimmt, vom Verlustwiderstand R und p von der Impedanz Zk des Dämpfungsgliedes
abhängig.
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Für die Impedanz k des Dämpfungsgliedes gilt die folgende Gleichung:
z = R - i 1 (1) k Rk - j L£)oCd in der die Widerstandswerte und Kapazitäten der
Widerstände und Kondensatoren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie die
Bauelemente selbst und zwar
unter-der Voraussetzuna, daß Cv » Cd.
( 0 bezeichnet in üblicher Weise die Kreis-)-Resonanzfrequenz des Schwingkreises.)
Soll der Schaltabstand im gewählten Temperaturbereich nahezu konstant sein, so darf
der wirksame Verlustwiderstand des Schwingkreises sich nicht ändern, solange keine
Beeinflussung durch Dämpfungsmaterialien vorliegt.
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Der wirksame Verlustwiderstand RpG lässt sich wie folgt bestimmen:
Für den Kehrwert der Impedanz ZKf d.h. für den Leitwert Yv des Dämpfungsgliedes
gilt:
Der Imaginärteil der Summe gemäß Gleichung (2) bewirkt nur eine vernachlässigte
Absenkung der Resonanzfrequenz n fO, solange die folgende Gleichung gilt:
Für die Bestimmung des Verlustwiderstandes RPG muß folglich nur
der Realteil G der Summe gemäß Gleichung (2) berücksichtigt werden, so daß folgende
Beziehung gilt: Rpg = 1 P4 G + 1/R~ in der der Verlustwiderstand Rp temperaturabhängig
ist, während der Leitwert G von der Kapazität der Kapazitätsdiode Cd abhängig ist,
die ihrerseits von der Steuerspannung U5 abhängig ist.
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Der wirksame Verlustwiderstand Rpg kann also unabhängig von der Temperatur
konstant gehalten werden, wenn folgende Bedingung erfüllt ist: G(Us)+ 1 = konstant
(5) Rp(T) Es lässt sich zeigen, daß die vorstehend angegebene Bedingung gemäß Gleichung
(5) in der Praxis mit hoher Genauigkeit angenähert werden kann, wenn man bei gegebener
Resonanzfrequenz des Schwingkreises eine in ihrer Kapazität über einen ausreichend
breiten Bereich steuerbare Kapazitätsdiode Cd eingesetzt und wenn man weiter dafür
sorgt, daßdie Steuerspannung Us in Abhängigkeit
von der Temperatur
einer vorgegebenen Kennlinie folgt.
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Letzteres kann beispielsweise mit Hilfe der Steuerspannungsstufen
gemäß Fig. 3a bis 3c geschehen, mit deren Hilfe sich der jeweils neben der betreffenden
Schaltungsvariante skizzierte Verlauf der Steuerspannung U5 über der Temperatur
T erreichen lässt.
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Man erkennt, daß mittels relativ einfach aufgebauter Steuerspannungsstufen,die
mit einer Speisespannung +Ub gespeist werden, und die aus Widerständen, Dioden,
Z-Dioden, Transistoren und Heißleitern aufgebaut werden können, die in Fig. 3a bis
3c mit den üblichen Symbolen dargestellt sind, unterschiedliche Kennlinien für die
Steuerspannung U5 erhalten werden können, die den gestellten Forderungen genügen,
wobei im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auf eine nähere Erläuterung der Schaltungen
gemäß Fig. 3a bis c verzichtet werden soll, da die Schaltbilder insoweit für sich
selbst sprechen und der Fachmann aufgrund seines Fachwissens die gewünschte Kennlinie
aufgrund der ihm geläufigen Uberlegungen Rechnungen realisieren kann.
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Fig. 4 der Zeichnung zeigt schließlich eine besonders übersichtliche
Variante einer Steuerspannungsstufe zur Verwendung in den erfindungsgemäß ausgebildeten
Kompensationseinrichtungen. Man erkennt, daß drei rückge koppelte Operationsverstärker
0P1, 0P2 und OP3 vorgesehen sind, deren Ausgänge jeweils über eine Diode D D2 bzw.
D3 mit dem Ausgang A der Steuerspannungsstufe
verbunden sind, der
über einen Widerstand R am Bezugspotential liegt. Der zweite Eingang (+) der Operationsverstärker
OP1 bis OP3 liegt jeweils am Abgriff eines Spannungsteilers aus einem Widerstand
R1 bis R3 und einem Heißleiter H1 bis H3. An den-Abgriffen der drei Spannungsteiler
kann in Abhängigkeit von der Temperatur jeweils eine Spannung erzeugt werden, die
mehr oder weniger stark steigt bzw. fällt-.
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Durch die Entkoppelung der Ausgänge der Operationsverstärker-OP1 bis
OP3 mit Hilfe der Dioden D1 bis D3 wird bei der Steuerspannungsstufe gemäß Fig.
4 erreicht, daß von den Spannungen U1 bis U3 an den Abgriffen der Spannungsteiler
jeweils die höchste als temperaturabhängige Steuerspannung U5 über dem Widerstand
R bzw.
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am Ausgang A der Schaltung auftritt. Die Kennlinie für die Steuerspannung
Us kann auf diese Weise in drei Abschnitte unterteilt werden, durch die eine gute
-Annäherung der erforderlichen Spannungs/Temperatur-Kennlinie erfolgen kann. Außerdem
wird aus Fig. 4 deutlich, daß mit der gezeigten Schaltung im Prinzip auch Kennlinien
aus nur zwei oder aus mehr als drei Teilstücken zusammengesetzt werden können. Die
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 ist im Prinzip eine logische Schaltung, mit der
automatisch die Zuordnung eines bestimmten Kennlinienbereichs zu e-iner bestimmten
Temperatur erzwungen wird. Für den Fall, daß eine besonders feine Unterteilung der
Kennlinie in einzelne Abschnitte erforderlich ist, kann eine entsprechende "logische
Schaltung" auch mit Hilfe eines Mikroprozessors
realisiert werden,
der in Abhängigkeit von der Temperatur bestimmte - Spannungswerte bzw. Spannungsfunktionen
erzeugt, wobei diese Werte bzw. die Parameter der Spannungsfunktionen in üblicher
Weise in --geeigneten Speichereinrichtungen des Mikroprozessors zur Verfügung gestellt
werden können.
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