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Präzisionsschalter mit berührungsloser
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Auslösung
PRAEZISIONSSCHALTER MIT BERUEHRUNGSLOSER
AUSLOESUNG.
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Die Erfinduna lieqt auf dem Gebiet der Sensortechnik und betrifft
einen Näherungsschalter mit Oszillatorteil und Auswerteelektronik einerseits und
Bedämpfungsstück andererseits.
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Das PrinziP D der Schalter mit berührungsloser Auslösung oder Näherunqsschalter
besteht im wesentlichen auf der Veränderuno der Schwingkreisgüte oder der Verstimmung
eine; Oszillators, durch Einbringen von geeigneten Materialien in das von der Oszillatorspule
generierte elektromagnetische Feld.
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In der Regel benützt man wechselstromdurchflossene Spulen mit einem
die Feldlinien verdichtenden Spulenkern aus ferromagnetischem Material welche im
sich nähernden metallischen Bedämofungsstück Wirbelströme induzieren, und zwar umso
intensiver, je kleiner der in der Hauptachsenrichtung des Feldes liegende Abstand
zwischen Bedämpfungsstück und Spule ist. Die durch den Wirbelstromanteil in der
Spule hervorgerufenen Feldveränderungen, werden als Bedämpfung des Oszillators wahrgenommen.
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Das annähern des Bedampfungsstücks an den Oszillator, kann in Richtung
Spulenhauptachse oder schräg bis orthogonal zu dieser erfolgen.
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Oberhalb einer bestimmten relativen Näherungs-Geschwindigkeit, wird
aus Sicherheitsgründen die Annäherung des Bedämpfungsstücks und damit (meist) eines
mehr oder weniger schweren Maschinenteils, in Hauptachsenrichtung des Feldes, d.h.
auf den Oszillator zu, vermieden. Die seitliche, also eine schräge bis orthogonale
Annäherung eines Bedämpfung;-stücks an das elektromagnetische Spulen- zOszillator-)
Feld, mit einem geometrisch freien Auslauf, wird in der Regel bevorzugt.
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Bis anhin nachteilig an diesen Näherungsschaltern war, insbesondere
bei seitlicher annäherung mit höherer Geschwindigkeit, deren für Positionierungszwecke
ungenügende Genauigkeit oder Reproduzierbarkeit des Schaltpunkts, der unter anderem
auch empfindlich temperaturabhängig sein kann. Aus der Natur der Sache, lasst sich
weiterhin eine Hysterese zwischen Bedompfun/Entdämpfung aus einer Richtung und der
Bedämpfung/Entdämpfung aus der Gegenrichtung nicht vermeiden. Sie hat ihren Grund
in der elektromagnetischen und vor allem mechanischen Trägheit des Systems, welche
als diesem inhärent hingenommen werden muss. Trotzdem ist ein als Präzisionsschalter
einsetzbarer Näherungsschalter wünschenswert, der mit hoher geometrischer auflösung
reproduzierbar zu schalten vermag und dessen Realisierung ungefähr einen mit gewöhnlichen
Näherungsschalter vergleichbaren aufwand erfordert.
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Es ist Rufgabe der Erfindung, einen solchen Schalter zu schaffen.
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Die rufgabe wird durch die Verwendung und Anordnung von mindestens
zwei felderzeugenden Elementen in einem Schalter gelöst, derart dass die die Induktivität
bildenden Spulen (L1,L2) in engem räumlichem Verbund im wesentlichen parallel gerichtet
sind, sodass die Rustrittsseiten des elektromagnetischen Feldes in die gleiche Richtung
weisen und dasselbe Bedämpfungsstück mit mehreren Feldern in Wechselwirkung treten
kann. Dies ist ein neuer Näherungsschalter mit zwei oder mehr Schaltpunkten, die
von einem Bedämpfungsstück direkt beeinflussbar sind.
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Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren, wird nun eine spezielle
Susführungsform der Erfindung eingehend diskutiert. Die gezeigte Rusführungsform
weist eine von mehreren Möglichkeiten der Realsierung von Oszillatoren auf, wobei
auch alle anderen Oszillatorrealisierungen zur Lösung der Aufgabe herangezogen werden
können, die in den verschiedensten Näherungsschaltern, wie zum Beispiel in NAMUR-Schaltern,
verwendet werden.
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Figur 1A und Figur 1B zeigen in einer geometrischen Darstellung in
Y- und Z-Richtung dargestellt die prinzipiel le und erfindungsgemässe unordnung
der wesentlichen Bauelemente, Oszillatorteil B1/B2 mit zwei Oszillatoren und Bedämpfungsstück
A, eines als Präzisionsschalter verwendbaren Näherungsschalter; Figur 2 zeigt bekannte
Oszillator-Signalverlaufe 81 und UB2 in Abhangigkeit des Weges des Bedampfungsstücks
Figur
3 zeigt übereinandergezeichnet, experimentell ermittelte Signalverläufe Figur 4
zeigt experimentell ermittelte Signalverläufe überlagerter Signale beider Oszillatoren,
die als tJutzsignal für die Schal tersteuerung dienen können und Figur 5 zeigt im
Blockschema ein Beispiel für den (verhältnismassig kleinen) aufwand zur Realisierung
eines Präzisionsschalters; Figur 6 zeigt im Zusammenhang mit Fig. 5 schaltungstechnische
Details des Präzisionschalter; gemäss Figur 5; Figur 7 zeigt eine Skizze der parallelen
Anordnung von felderzeugenden Bauteilen mit ungefähren Massangaben und Wie einleitend
ausgeführt, führt die träge Wechselwirkung zwischen Bedämpfungsstück und Oszillator
zu einer geschwindigkeitsabhängigen Hysterese in Bezug zur Wegachse des Bedämpfungsstücks.
Es wird nun nicht etwa versucht, diese Wechselwirkung zu beschleunigen, damit der
Schalter "schneller" reagiert, die Erfindung geht im Gegenteil von unveränderten
Gegebenheiten aus und realisiert folgende Idee:
Der Schalter muss
ein reproduzierbares, geometrisch hoch aufgelöste; Erkennen der Position eines metallischer,
Gegenstandes (Bedämpfungsstück) ermöglichen, wenn das elektromagnetische Sensor-Feld
anstelle von einem, von zwei oder mehreren felderzeugenden Elementen oder von mehreren
Oszillatoren gebildet wird. Bei seitlichem oder schrägem Annähern eine; metallischen
Gegenstandes in ein von mehreren felderzeugenden Elementen aufgebautes Gesamtfeld,
wird, ausser im Spezialfall der durch Symmetrie invariablen annäherung in Hauptachsenrichtung
des abgestrahlten Feldes, jedes felderzeugende Element oder jeder Oszillator (zeitlich)
nichtkoinzident zu den anderen beeinflusst werden. Die zeitliche Differenz zwischen
den Gesamtfeld/Bedämpfungsstück-Wechselwirkungen entsprechend dem Signalverlauf
der kombinierten Oszillatoren werden ausgewertet.
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Im Zusammenhang mit Figur 1 lässt sich als spezielle Asführungsform
ein Zwei-Oszillatorsystem folgendermassen beschreiben. Ruf ein orthogonales räumliches
System bezogen, erzeugen zwei bspw. von der Z-Achse und auf derselben Seite der
X-Ebene gleich weit entfernte Oszillatoren B1 und Eo je ein sich in die gleiche
Richtung Z ausbreitendes elektromagnetische; Sensorfeld. Die Einzel felder stehen
vorzug;-weise in linearer Superposition zueinander. Ruf die physikali suche Beschaffenheit
des durch Ueberlagerung von Einzelfeldern gebildeten Gesamtfeldes wird hier nicht
eingegangen.
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Bei seitlichem, hier im wesentlichen rechtwinklig zur Z-Achse verlaufenden
Rnnähern des Bedämpfungsstückes R in X-Richtung an das Oszillatorfeld, wird zuerst
der Oszillator B1 beeinflusst werden. Der Oszillator B2 bleibt dagegen in seinem
Verhalten noch stationär. Sukzessive werden mit einem zeitlichen Phasenverzögerung
Xp beide Oszillatoren vom Bedämpfungsstück
t,eeinflus~t, am Smmetriepunkt
Xo im wesentlichen gleichmässig, bis schliesslich nur noch der Oszillator B2 mit
dem Bedämpfungsstück A in Wechselwirkung steht.
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Man erkennt hieraus, dass Bewegungen des Bedampfungsstückes in der
X,Y-Ebene, ausser in Y-Richtung (Fig. 1B), ein zeit-und richtungsabhängiges, ungleiches
Verhalten der Oszillatoren bewirkt, während eine Bewegung in Z-Richtung, unter Einhaltung
der hier leicht erkennbaren Symmetriebedingung, sich die Oszillatoren (wie auch
in Y-Richtung) im wesentlichen gleich verhalten. Bei schräger Näherung im Winkel
alpha zur Z-Achse, ist die Phasenbeziehung Xp zwischen den beiden Oszillatoren ein
Xp-trig.f(alpha). In der Regel wird man das Bedämpfungsstück rechtwinklig zur Rusbreitungsrichtung
oder Hauptachsenrichtung des Gesamt-Feldes bewegen.
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Dies alles vorausgesetzt, ergibt bei einem ollen Durchgang eines Bedämpfungsstückes
durch ein Gesamt-Feld die in Figur 2 simulierten einzelnen Signalverläufe. Das Diagramm
zeigt einzeln Oszillatorspannungen UB1 und UB2 in Abhangigkeit von der Lage des
nicht dargestellten Bedämpfungsstücks zu den beiden Oszillatoren B1 und B2 und dient
zur Diskussion von grundsätzlichen Zusammenhängen bei der speziellen Rusführungsform
mit zwei Oszillatoren.
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Bei einer Annäherung des Bedämpfungsstückes in der Wegrichtung (x-,
xy, y-Richtung) des Weg-Spannungsdiagramms auf die beiden Oszillatoren Bl,B2 zu,
bedampft dieser Gegenstand zuerst den Oszillator B1 durch Entzug von Energie, die
zur Bildung der Wirbel ströme im Bedampfungsstück aufgewendet werden muss. Die Spannung
am davon betroffenen Oszillator B1 fällt sukzessive zusammen, während der räumlich
weiter entfernte Oszillator BS davon noch nicht betroffen ist. Zwischen den beiden
Hauptachsen der Oszillatorfelder, beginnt sich nun das Bedompfungsstück vom Oszillator
B1 zu entfernennt
nähert sich aber immer noch dem Oszillator 82,
bis es sich schliesslich von beiden Oszillatoren B1,B2 wegentfernt.
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Ruf diese eie entstehen sich überlagernde Be- und Entdämpfungskurven
mit einem ausgeprägten Schnittpunkt genau zwischen den Oszillatoren, jedoch nur
dann, wenn beide Oszillatoren innerhalb einer möglichst geringen abweichung die
gleiche Steilheit von Be- und Entdämpfungskurven bei gleichem Oszillator/Bedämfpungsstück-Abstand
aufweisen. Das Diagramm zeigt ferner noch Schnittpunkte in Abhangigkeit des minimalen
Oszillatorabstands vom Bedämpfungsstück, was sich ja in einer Aenderung der Steilheit
auswirkt. Hier wird der Darstellung wegen von einem feststehenden Bedämpfungsstück
ausgegangen, dem die beiden Oszillatoren B1,B2 in den minimalen, also lotrechten
Abständen A=a; B=c; C=c genähert werden. Die gezeigten Lagen der Schnittpunkte aus
den Kurvenpaaren A,a oder B,b oder C3c lassen die relative Unempfindlichkeit dieser
Schnittpunkte bzgl. des Abstands Bedienung;stück/Oszillator in E-Richtung erkennen.
Bei ungleichen Abständen zweier Oszillatoren von der X,Y-Ebene, entstehen Kurven
verschiedener Steilheit. Dies kann zu einer Einstellung oder Verschiebung des Schnittpunktes
in Bezug zur Bewegungsrichtung des Bedämpfungsstückes ausgenützt werden. Allerdings
tritt durch die damit bewirkte Schiefsymmetrie eine entsprechend der Schiefe zunehmende
Empfindlichkeit auf Verschiebungen in 2-Richtung ein.
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Wie eben erwähnt. ist die jeweilige Steilheit der Be- und Entdämpfungskurve
auch eine Funktion des Abstandes zwischen Oszillator (Feldaustrittstelle) und dem
Bedämpfungsstück.
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Der im wesentlichen sigmatoide Verlauf zwischen maximaler Be- und
völliger Entdämpfung, setzt einer Schar genau detektierbarer Schnittpunkte SRa,
S8b, SCc natürlich Grenzen.
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Dieser Sachverhalt ist mit den Kurven Cc dargestellt. Man sieht daraus
auch den Einfluss des Abstandes D der Oszillatoren voneinander.
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Figur 3 zeigt nun eine experimentell ermittelte Kurvenschar z1 bis
z4 im Spannungsfweg-Diagramm. Jeder Osillator B1 und BS wurde einzeln gemessen und
dessen abgegebene Spannung aufgezeichnet, es handelt sich also noch nicht um Spannungsverläufe
der schaltungstechnisch kombinierten Oszillatoren.
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Der Parameter z steht für den Abstand auf der Hauptachse zwischen
Oszil latorspule und Bedämpfung;stück in Z-Richtung, das ist, wie mehrfach erwähnt,
die Hauptausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Oszillatorfeldes. Die Schnittpunkte
der paarweisen Signalverläufe liegen erwartungsgemäss gradlinig in Z-Richtung verteilt.
Vollständig abgebildet ist der (hier inverse) Verlauf Entdämpfung-Bedämpfung-Entdämpfung
des Oszillators B2 beim Durchgang des Bedämpfungsstückes.
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Damit die Figur nicht überlastet wird3 sind die Kurven für den Oszillator
B1 nur teilweise dargestellt.
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Figur 4 zeigt nun ein experimentell ermittelte; Ueberlagerungsfeld
also das überlagerte Signal der Oszillatoren 81,B2 in Abhangigkeit eine; Durchlaufs
eines Bedämpfungsstückes.
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Die den Schnittpunkten entsprechenden Signal-Minimas liegen ebenso
gradlinig in Z-Richtung verteilt, womit, gemäss den vorher ausgeführten Ueberlegungen,
hier dieselben Zusammenhänge zutreffen.
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Die Auswertung der Kurve gemäss Figur 3 ist auf mehrfache Weise möglich.
Ein bevorzugtes Vorgehen wird nachfolgend besprochen. Wie gesagt, bleibt die inhärente
Trägheit des Systems unverändert. Soll nun der Schalter schneller reagieren bzw.
mit grösserer Geschwindigkeit angefahren werden können, so wird, bspw. bei einer
Annäherung von links her, der Signalverlauf über B1 dazu benützt, die Näherungsgeschwindigkeit
zu verringern bzw. um einen Vorstopp einzuleiten.
Damit wird der
Schalter konditioniert. Die erfinderische Idee liegt in der Verwendung von mehr
als einem Oszillator in einem Annäherungsschalter und in der Herstellung und auswertung
eine; Ueberlagerungsfeldes von mindestens zwei Oszillatoren, die mit demselben Bedämpfungsstück
wechselwirken. Damit weist ein solcher Schalter auch mehr, direkt vom gemeinsamen
Bedämpfungsstück beeinflussbaren Schaltpunkte auf.
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Figur 5 zeigt in sehr allgemeiner Form ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
des Präzisionsschalters mit zwei Oszillatoren B1 und B2 deren gemeinsame Auswerteschaltung,
ein Vergleicher C und ein nachgeschalteter Verstärker V. Das Ausgangssignal zeigt
hier, gemäss der Charakteristik des Komparator; an, welcher Oszillator vom Bedämpfungsstück
stärker beeinflusst ist. Komparator und nachgeschalteter Verstärker sind nach vorbekannten
Schaltschematas ralisiert.
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Figur 6 zeit die schaltungstechnischen Details einer realisierten
Ausführungsform der beiden Oszillatoren B1 und B2, welche hier spiegelsymmetrisch
dargestellt sind. Angegeben sind die Schwinokreise L1/C1 und L2./C2 sowie die Susgangsklemmen
A1 und A2, Geeignet sind alle Oszillatoren wie bspw.
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Hartley, Colpitts oder Zarten davon, die vorzugsweise als selektioniertes
Paar eingesetzt werden.
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Die erfindungsgemässe Anordnung der Oszillatoren, bzw. deren Induktivitäten
L1 und L2 in engem räumlichem Verbund ist in der diskutierten Ausführungsform ist
skizzenmässig in Figur 7 dargestellt und ist ungefahr folgendermassen dimensioniert.
Die Spulen der Oszillatoren B1 und 82 sind in Schalenkernhälften mit einem Durchmesser
von ca. 6mm (vom Hersteller) gewickelt. Zwei solche Schalenkerne sind im Abstand
B1-BS von ca. 3mm so angeordnet, dass die offene Schalenkern;eite beider Schalenkerne
möglichst genau eine Ebene
bilden. Das elektromagnetische Feld
des Oszillator; breitet sich bei beiden Spulen in die gleiche Richtung aus. Der
gesamte Durchmesser D des Oszillatorteil; B1/B2 des Präzisionsschal ters beträgt
ungefahr 18 - 20 mm. In der Regel kann die gesamte Oszillatorschaltung samt dem
Komparator, ggf. mit Endverstärker in einem gemeinsamen Gehäuse S untergebracht
werden, sodass lediglich ein einfaches Schaltsignal <2 Pegel) von der Sensorstelle
weggeführt werden muss. Gemäss Figur 7 ist das Gehäuse 8 ca. 30 mm lang.
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Die parallel zueinander stehenden Felder können je nach Ausführungsform
und der Spulenanordnung zueinander verschieb- undfoder verschwenkbar angeordnet
sein, um die Feldcharakteristik ggf. geometrisch auszugleichen. Dies erlaubt bspw.
eine Konditionierung" des Schalters bei schnell ablaufenden Vorgängen.
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Zusammengefasst stellt sich eine bevorzugte Ausführungsform folgender
massen dar: Der berührungslose Näherung;schalter mit Oszillatorteil (B) und Auswerteelektronik
einerseits und Bedämpfungstück andererseits, weist eine Anordnung von mindestens
zwei felderzeugenden Elementen derart auf, das; durch die felderzeugenden Bauelemente
(L1, L2) emittierten Felder räumlich eng zueinander angeordnet sind und die Rustrittsseiten
der Bauelemente für die elektromagnetischen Felder derat gerichtet sind, dass ein
einziges Bedämpfungsstück (A) mit mehreren Spulen (L1, L2,...) in Wechselwirkung
bringbar ist. Die Oszillatorspulen sind in Schalenkern-Ferritkörpern angeordnet.
Mindestens einer der Oszillatoren (B1 oder B2) oder mindestens eine der felderzeugen
Spulen (L1,L2) kann in der Hauptachsenrichtung seines elektromagnetischen Feldes
verschiebbar und/oder schwenkbar sein.
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Dies betrifft bspw. eine der Halterungen, die als einstellbare Halterung
ausgebildet ist, verstellbar mittels Einstellschrauben.
Bei "einstückiger"
Ausführung, bspw. Vergiessen zweier Spulenkörper, wird die Ausrichtung einmal durchgeführt
und dann fixiert. Vorteilhaft ist eine gemeinsame Ruswerteschaltung für die Oszillatoren,
bestehend aus einem Komparator (C), oder dass zwei felderzeugende Elemente L1,L2)
demselben Oszillator (B) parallel zugeschaltet sind.
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- L e e r s e i t e -