DE3318900A1 - Annaeherungsschalter mit minimalem strombedarf - Google Patents

Description

• Annäherungsschalter mit minimalem Strombedarf
• Die Erfindung betrifft einen Annäherungsschalter mit minimalem Strombedarf, welcher auf die Annäherung von elektrisch oder/und magnetisch leitfähigen Stoffen anspricht.
• Die bekannten induktiven Annäherungsschalter, auch Initiatoren oder Annäherungssensoren genannt, arbeiten mit einem Hochfrequenzoszillator, dessen Spulen, das sind Schwingkreisinduktivität und die Rückkopplungsspule, und Spulenkerne so gestaltet sind, daß bei einer Annäherung von elektrisch leitfahigen Stoffen insbesondere bei Annäherung von Metallteilen, der Oszillator bedämpft und dadurch die Auiplitucie der hochIrequent(ll Schwingung herabgesetzt oder die Schwingungserzeugung ganz unterbunden wird. Eine Auswerteschaltung bildet aus dem jeweiligen Wert der Amplitude der Schwingung einen zugehörigen analogen Signalwert, oder es werden Schaltsignale aus bestimmten Wertebereichen der Schwingungsamplitude gebildet. Für die Oszillator- und Spulenanordnungen und für die Auswerteschaltungen sind eine Vielzahl von Ausführungen bekannt.
• Für bestimmte Anwendungen, insbesondere wenn Annäherungsschalter unabhängig von einem Speisenetz oder einer anderen ergiebigen Stromquelle betrieben werden sollen, ist der verhältnismäßig große Strombedarf der bekannten induktiven Annäherungsschalter nachteilig. Dieser Strombedarf ergibt sich prinzipiell aus der Tatsache, daß der Oszillator ständig in Betrieb gehalten werden muß.
• Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen induktiven Annäherungsschalter mit minimalem Strombedarf und mit gleichzeitig geringem Schaltungs- und Bauteileaufwand zu schaffen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein elektrischer Schwingkreis, dessen Spule durch die Annäherung beeinflußbar ist,durch einen Gleichstromimpuls zur Schwingung angeregt wird, daß aus dem Abklingvorgang der so erzeugten gedämpften Schwingung auf den Grad der Näherung geschlossen wird und daß die Anregung des Schwingkreises zur Schwingung periodisch durch eine Pulsfolge erfolgt.
• Der Erfindung zufolge ist also völlig auf einen Oszillator verzichtet. Stattdessen wird ein elektrischer Schwingkreis direkt durch jeweils kurze Impulse periodisch zur Schwingung angeregt und aus der Art des Abklingens der so entstehenden gedämpften Schwingung wird das Ausgangssignal des Annäherungsschalters gebildet. Der Strombedarf ist damit beschränkt aufdie kurzen Impulse zur Schwingkreisanregung und den ohnehin geringen Strombedarf für Impulsgeber und Auswerteschaltung.
• t Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Annäherungsschalters wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.
• In der Zeichnung zeigen Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines periodisch durch Impulse zur Schwingung angeregten Schwingkreises eines Annäherungsschalters nach der Erfindung und Fig. 2 verschiedene Zeitdiagramme zu den Funktionsabläufen beim Annäherungsschalter nach Fig. 1.
• Ein elektronischer Pulsgenerator 1 schließt periodisch jeweils für kurze Zeit den hier als Kontakt gezeichneten elektronischen Schalter 2. Dadurch wird der aus der Spule 3 und aus dem Kondensator 4 bestehende elektrische Schwingkreis über den Strombegrenzungswiderstand 5 all die Gleichspannungsquelle 6 gelegt.
• Dabei fließt zunächst ein Ladestrom in den Kondensator 4.
• Die Anfangsstromstärke dieses Stromes ist nur beschränkt durch die Ergiebigkeit der Gleichspannungsqúelle 6 und durch den Wert des Widerstandes 5. Mit dem Verlauf der Zeit verringert sich die Stromstärke wegen der am Kondensator 4 aufgrund seiner Kapazität und wegen des Ladestromes entstehenden Spannung. Die Zeitabhängigkeit dieser Vorgänge läßt sich anhand der Zeitkonstanten darstellen, die sich aus der Kapazität des Kondensators 4 und aus dem Wert des Widerstandes 5 ergibt. Solange diese Zeitkonstante klein ist gegenüber der Periodendauer der Schwingkreisfrequenz, läßt sich der Kondensator 4 aus der Gleichspannungsquelle 6 aufladen, ohne daß ein Strom in störendem Wert über die Spule 3 zu fließen beginnt. Die Impulsdauer muß dazu klein sein gegenüber der Periodendauer der Schwingkreisfrequenz.
• Wird durch Öffnen des elektronischen Schalters 2 am Ende der Impulsdauer die Ladung des Kondensators 4 beendet, so beginnt der Schwingkreis aus der im Kondensator 4 gespeicherten Energie zu schwingen. Die Schwingfrequenz ergibt sich dabei aus den Werten der Induktivität der Spule 3 und der Kapazität des-Kondensators 4. Da der Schwingkreis nicht verlustfrei ist und keine weitere Energiezuführung stattfindet, muß die Schwingung gedämpft verlaufen und also abklingen. Die Abklingdauer ist dabei abhängig von den Verlusten des Schwingkreises, also insbesondere auch von den Verlusten der Spule 3. Deshalb kann aus dom zeitlichen Verlauf des Abklingvorganges auf die Bedämpfung ci Sule durch an die Spule angenäherte leitfähige Teile geschlossen werden. Dadurch ist die Verwendung des geschilderten Prinzips für Annäherungsschalter möglich. In der Auswerteschaltung 7 wird der Verlauf des Abklingvorganges ausgewertet und daraus ein entsprechendes Ausgangssignal gebildet.
• Figur 2 zeigt den prinzipiellen zeitlichen Verlauf der geschilderten Vorgänge. Dabei sind die Vorgänge in der Zeitachse nicht maßstäblich gezeichnet.
• Die obere Kurve 11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Pulsfolge des Pulsgenerators 1 und der Zustände des elektronischen Schalters 2. Während der kurzen Zeitdauer tl ist der Schalter geschlossen, in der übrigen Zeit geöffnet. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch entsprechend der Pulsfrequenz jeweils nach Ablauf der Zeitdauer t2. Die mittlere Kurve 12 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Kondensator 4 bei Fehlen einer zusätzlichen Bedämpfung der Spule 3. Während der Zeitdauer tl wird der Kondensator 4 aus der Spannungsquelle 6 geladen, danach entsteht eine abklingende, hochfrequente Schwingung 12. Die Amplitude der Schwingung nimmt dabei entsprechend der Einhüllenden 13 ab. Diese Schwingung ist abgeklungen, bevor die Zeitdauer t2 vorüber ist und eine Schwingungsanregung mit einem neuen Ladeimpuls wieder von vorn beginnt. Die untereKurve 14 zeigt ebenfalls den zeitlichen Verlauf der Spannung am Kondensator 4, aber bei Vorliegen einer zusätzlichen, äußeren, von einer Annäherung herrührenden Bedämpfung der Spule 3. Die hochfrequente Schwingung 1 mit der Einhüllenden 15 klingt hier erheblich schneller ab.
• Wesentlich für die Funktion der Anordnung ist die richtige Abstimmung der einzelnen Schaltungskomponenten und der Zeiten. Die Impulsdauer tl muß klein sein gegenüber der Periodendauer der Schwingkreisfrequenz, sie muß andrerseits groß genug sein, um eine ausreichende Aufladung des Kondensators 4 zu ermöglichen. Dies kann durch entsprechende Bemessung des Widerstandswertes des Widerstandes 5 und der Kapazität des Kondensators 4 erreicht werden. Die Schwingkreisfrequenz kann durch entsprechende Bemessung der Kapazität des Kondensators 4 und der Induktivität der Spule 3 festgelegt werden. Die Spule 3 und ihr Spulenkern werden so gestaltet, daß sich bei der Annäherung von leitfähigen Stoffen eine möglichst große Änderung der Spulengüte ergibt. Ohne eine Annäherung müssen Spulengüte und Pulsfrequenz so aufeinander abgestimmt sein, daß die Schwingung innerhalb der durch die Pulsfrequenz gegebenen Zeit abgeklungen ist.
• Die Auswertung des Abklingvorganges der gedämpften Schwingung durch die Auswerteschaltung 7 kann in verschiedener Weise erfolgen. So kannz.B. die Spannung am Schwingkreis galvanisch oder induktiv ausgekoppelt und gleichgerichtet werden.
• Der Mittelwert der gleichgerichteten Spannung über die Zeitdauer t2 ist dann ein Maß für die Abklingdauer und damit für die jeweilige Ann«iherung. Eine andere Auswertemöglichkeit besteht darin, jeweils zu bestimmten Zeitpunkten, z. ß. zum Zeitpunkt t3 in Figur 2, zu prüfen, ob die Schwingung noch andauert oder ob sie schon abgeklungen ist.
• Die so entstehenden Ausrteergebnisse können in bekannter Weise vielfältig verwertet werden. Zur direkten optischen Anzeige des Annäherungszustandes können Leuchtdioden eingesetzt werden. Zu Alarmzwecken können stromsparende piezoelektrische Tongeber verwendet werden.. Weiter ist es auch möglich, durch den Annäherungsschalter einen Minisender in Betrieb zu setzen und so düs Signal drahtlos an eine andere Einheit weiterzuleiten. In jedem Falle kann die Auswerteschaltung 7 so ausgelegt werden, daß die Signal gabe entweder bei vorhandener oder bei nicht vorhandener Annäherung erfolgt, je nachdem, was der zu meldende Zustand ist.
• Als Pulsgenerator 1 mit dem elektronischen Schalter 2 können bekannte Anordnungen verwendet werden. Der Pulsgenerator kann auch so ausgeführt werden, daß er neben dem periodischen kurzzeitigen Ladevorgang ein weiteres Zeitsignal für einen Auswertezeitpunkt, z. B. t3 in Figur 2, liefert.
• Sowohl für den Pulsgenerator 1 als auch für die Auswerteschaltung 7 sind Anordnungen mit sehr geringem Strombedarf bekannt. Daneben wird im Normalzustand für den Annäherungsschalter nur noch der jeweils kurzzeitig periodisch zugeführte Ladarromstoß benötigt. So ergibt sich für den erfindungsgemäßen Annäherungsschalter ein minimaler Strombedarf.
• Das erlaubt die.netzunabhangige Speisung aus kleinen galvanischen Elementen oder Batterien, insbesondere aus sogenannten Knopfzellen oder Folienelementen. Dabei können Betriebsdauern von mehr als einem Jahr ohne Batteriewechsel erzielt werden. Auch mit Solarzellen ist ein Betrieb möglich, ebenso mit einer Kombination von Solarzelle und aufladbarem Akkumulator für den Betrieb während der Dunkelheit.
• Der geringe Aufwand an Bauteilen ermöglicht auch eine räumlich sehr kleine Bauweise des erfinclungsgemäßen Annäherungsschalters.
• Eine einzelne integrierte Schaltung kann z. B. den Pulsgenerator 1 mit dem elektronischen Schalter 2, den Widerstand 3 und die Auswerteschaltung 7 enthalten, so daß neben dieser integrierten Schaltung nur noch die Bauteile des Schwingkreises, die Strom quelle und der eigentliche Signalausgeber benötigt werden.
• Der erfindungsgemäße neuartige Annäherungsschalter ermöglicht eine Vielzahl von neuen Anwendungen, insbesondere für solche Fälle, bei denen die herkömmlichen Annäherungsschalter wegen ihrer Größe oder wegen der Kosten für die Bereitstellung ihrer Stromversorgung nicht einsetzbar sind.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nicht die Annäherung von elektrisch leitfähigen Stoffen erfaßt, sondern die Annäherung von magnetisch leitfähigen Stoffen, insbesondere von speziell geformten Teilen aus ferromagnetischem Material, z.B.
• aus Ferriten.
• Bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen an Spulen wird in der Regel die Induktivität der Spule nur wenig verändert, dagegen verändert sich die Spulengüte stark, was ein schnelleres Abklingen der gedämpften Schwingung des Schwingkreises bewirkt. Bei der Annäherung von magnetisch leitfähigem Material wird dagegen in der Regel die Induktivität der Spule erhöht. Ob dabei die Spulengüte erhöht oder vermindert wird, hängt von anderen Umständen, insbesondere von der elektrischen Leitfähigkeit des Materiales ab. Die Erhöhung der Induktivität bewirkt im Schwingkreis eine Erniedrigung der Schwingfrequenz.
• Bei dieser Anordnung wird also zweckmäßigerweise nicht der zeitliche Verlauf des Abklingvorganges ausgewertet, sondern es wird aufgrund der Schwingfrequenz auf vorhandene oder nicht vorhandene Annäherung geschlossen.

Claims (2)

1. 7. Annäherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgenerator ( 1 ) außer der Pulsfolge für die Schwingkreisanregung ein weiteres Zeitsignal für den Auswertzeitpunkt (t3 ) liefert.

   8. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule durch die Annäherung von magnetisch leitfähigen Stoffen, insbesondere von Ferriten, vorwiegend in der Induktivität beeinflußt wird, so daß auf den Grad der Annäherung vorwiegend aus der Schwingfrequenz der gedämpften Schwingung geschlossen werden kann.

   9. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Annäherungsschalter aus an sich bekannten kleinen Stromquellen betrieben wird, insbesondere aus Minibatterien, Knopfzellen, Solarzellen, ladbaren Kleinstakkumulatoren und aus Kombinationen davon.

   10. Annäherungsschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssignalgeber an sich bekannte optische, akustische oder fernwirkende Mittel verwendet werden, insbesondere auch Leuchtdioden, piezoelektrische Schallgeber oder Minisender.

   3. Annäherungsschalter nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten der Schwingkreisschaltung so aufeinander und auf die Pulsfrequenz abgestimmt sind, daß die gedämpften Schwingungen bei jedem möglichen Grade der Annäherung abgeklungen sind, bevor der jeweils.nächste Anregungsimpuls kommt.

   4, Annäherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule ( 3 ) durch die Annäherung von elektrisch leitfähigen Stoffen vorwiegend in der Spulengüte beeinflußt wird, so daß auf den Grad der Annäherung vorwiegend aus dem zeitlichen Verlauf des Abklingvorganges der gedämpften Schwingung geschlossen werden kann.

   5. Annäherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,-daß ein Signal über den Grad einer Annäherung jeweils aus dem Mittelwert der gleichgerichteten Schwingung über die gesamte Dauer zwischen zwei Anregungsimpulsen abgeleitet wird.

   6. Annäherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal über den Grad einer Annäherung jeweils aus der Höhle der Amplitude der abklingenden Schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt ( t3 ) nach jedem Anregungsimpuls abgeleitet wird.

   Patentansprüche U Annäherungsschalter mit minimalem Strombedarf, welcher auf die Annäherung von elektrisch oder/und magnetisch leitfähigen Stoffen anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Schwingkreis, dessen Spule durch die Annäherung beeinflußbar ist durch einen Gleichstromimpuls zur Schwingung angeregt wird, daß aus dem Abklingvorgang der so erzeugten gedämpften Schwingung auf den Grad der Näherung geschlossen wird und daß die Anregung des Schwingkreises zur Schwingung periodisch durch eine Pulsfolge erfolgt.
2. 2. Annäherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten der Schwingkreisschaltung, insbesondere die Speisequelle ( 6 ), der Strombegrenzungswiderstand ( 5 ), die Kapazität des Kondensators ( 4 ) und die Induktivität der Spule ( 3 ) so aufeinander und auf die Pulsdauer der Anregungsimpulse des Pulsgenerators ( -1 ) abgestimmt sind, daß der zugeführte Strom ganz überwiegend die Ladung des Kondensators ( 4 ) bewirkt, so daß die gedämpfte Schwingung mit einem Höchstwert der Spannung beginnt.