DE3619238A1 - Naeherungsschalter - Google Patents
NaeherungsschalterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen auf einen sich annähernden
Auslöser ansprechenden Näherungsschalter, mit einem HF-
Schwingkreis, für dessen Schwingungsmagnetfeld ein ge
schlossener Kern vorgesehen ist, welcher mindestens
einen sättigungsempfindlichen Bereich aufweist, und mit
einer Auswertschaltung, die die von dem Grad der Kern
sättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und bei
Unterschreiten bzw. Überschreiten eines bestimmten
Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang auslöst.
Derartige Näherungsschalter sind mit direkter (DE-OS 32 44 507)
und auch mit indirekter (DE-PS 32 05 737) magnetischer Aus
lösung bekannt. Sie zeichnen sich insbesondere dadurch aus,
daß sie auch durch nicht oder nur schwach ferromagnetische
Wände hindurch auf den Auslöser ansprechen und so beispiels
weise zur Positionserfassung des Kolbens bei hydraulischen
Zylindern gut geeignet sind.
Allerdings ist der Ansprechabstand solcher magnetisch aus
lösbarer Näherungsschalter - ähnlich wie bei den durch ein
Wirbelstrom-Metallstück auszulösenden elektronischen
Näherungsschaltern (DE-OS 17 62 565 und DE-PS 19 24 279) -
auf im allgemeinen 10 bis 25 Millimeter begrenzt. Zur
Erzielung dieser größeren Schaltabstände muß allerdings die
Elektronik der Auswertschaltung schon sehr empfindlich
ausgelegt werden, wodurch aber in zunehmendem Maße die
Gefahr besteht, daß der Näherungsschalter durch Fremd
einflüsse, z.B. temperaturbedingte Einflüsse, Fehlschaltungen
vornimmt bzw. nicht mehr bei dem vorgesehenen Sollabstand
schaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungs
gemäßen Näherungsschalter mit einem in erhöhtem Maße an
sprechempfindlichen HF-Schwingkreis zu versehen, so daß
entweder größere Schaltabstände erreichbar sind bzw. bei
üblichen Schaltabständen eine wesentlich unempfindlichere
Auswertelektronik vorgesehen werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß der sättigungsempfindliche Bereich des Kernes
an seiner der Schwingkreis-Spule abgewandten Seite mit
einer elektrisch leitenden Wirbelstrom-Metallschicht oder
-Metallfolie versehen ist.
Solange der Kern an seinem sättingsempfindlichen Bereich
nicht gesättigt ist, bleibt das HF-Schwingungsfeld im Kern
eingeschlossen und klingt die Schwingung nur langsam ab
bzw. bleibt im Falle eines HF-Oszillators aufrechterhalten.
Wird jedoch durch ein zusätzliches Magnetfeld der sättigungs
empfindliche Bereich in die Sättigung getrieben, tritt das
HF-Schwingungsfeld nunmehr als Streufeld aus dem Kern aus und
durchdringt die außen am Kern vorgesehene leitende Metall
schicht bzw. Metallfolie, in der hohe Wirbelströme induziert
werden. Durch die starken Wirbelstromverluste wird der Schwing
kreis bzw. der Oszillator in einem erhöhtem Maße bedämpft,
so daß die Schwingungsamplitude rasch den Grenzwert unter
schreitet und folglich ein Schaltvorgang ausgelöst wird.
Wie praktische Erprobungen gezeigt haben, erlangen gattungs
gemäße Näherungsschalter, die für 15 bzw. 25 Millimeter
Schaltabstand ausgelegt sind, allein durch Anbringung einer
dünnen Aluminiumfolie auf der Außenseite des sättigungs
empfindlichen Bereiches Schaltabstände von nunmehr 25 bzw.
40 Millimetern.
Ein Schaltabstand von 25 Millimetern ist ein oft geforderter
Anwendungsfall, und für diesen Anwendungsfall kann der
Erfindung zufolge nunmehr ohne besonderen Aufwand ein
Näherungsschalter angeboten werden, der in einem Temperatur
bereich von etwa -50°C bis 100°C störungsfrei arbeitet. Von
weiterem Vorteil ist, daß der Versorgungsstrom des Näherungs
schalters sehr gering ist, z.B. bei Verwendung eines Oszillators
zwischen 0,1 bis 5 mA, oder bei nur taktweise angeregtem
Schwingkreis lediglich ein Bruchteil der vorgenannten Strom
werte. Der Erfindung zufolge ist ferner vorgesehen, daß die
Wirbelstrom-Metallschicht aus einem nichtpermeablen Material,
z.B. aus Aluminium oder Kupfer, besteht.
Der Näherungsschalter nach der Erfindung kann in unterschied
lichen Ausführungsformen gebaut werden, die in den Unter
ansprüchen näher gekennzeichnet und anhand der Zeichnung
näher beschrieben sind.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines gattungsgemäßen
Näherungsschalters gemäß einer ersten Aus
führungsform,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Jochstück in Richtung
des Pfeiles I in Fig. 1 gesehen,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines bei
der Ferritkernanordnung verwendbaren Schalen
kernes,
Fig. 4, 5 und 6 Skizzen zur Veranschaulichung des
L-Gliedes des Schwingkreises,
Fig. 7 eine zweite Ausführungsform, bei der der Aus
löser ein permeables magnetisches Kurzschluß
joch ist,
Fig. 8 eine dritte Ausführungsform, bei der der Aus
löser ein permeables Flußleitstück ist und
Fig. 9 eine abgewandelte Ausführungsform des L-Gliedes
des Schwingkreises.
Fig. 1 zeigt in Blockbilddarstellung einen elektronischen
Näherungsschalter aus HF-Schwingkreis 1, der vorzugsweise
Teil eines Oszillators ist, Auswertstufe 2, Schaltver
stärker 3 und Schaltglied 4, wobei letzteres einen Thyristor
aufweist.
Bei dem Schwingkreis 1 ist die Spule 5 in einem sogenannten
Schalenferritkern 6 angeordnet (vgl. auch Fig. 3), welcher
durch ein Jochstück 7 (vgl. auch Fig. 2) an der offenen
Seite geschlossen ist. Die Spule 5 enthält im Falle einer
Oszillatorschaltung für den Schwingkreis auch die Rück
kopplungswicklung. Das Jochstück 7, das bei den Ausführungs
formen nach den Fig. 1 bis 8 aus Ferrit besteht, weist in
seinem den Schalenkern 6 abdeckenden mittleren Bereich eine
Querschnittseinengung 8 auf und besitzt über diesen
mittleren, sättigungsempfindlichen Bereich 9 hinausragende
Verlängerungen 10, mit denen es im verstärkten Maße das
Magnetfeld eines sich annähernden Auslösemagneten 11 er
fassen kann. Im Bereich der Querschnittseinengung beträgt
die Dicke des Jochstückes etwa 0,3 bis 0,6 Millimeter.
Wie insbesondere aus den vergrößerten Darstellungen der
Fig. 2, sowie 4 bis 6 ersichtlich ist, trägt das Jochstück 7
an seinem sättigungsempfindlichen Bereich an der der Spule 5
abgewandten Seite eine Metallschicht 12, bei der es sich
beispielsweise um eine aufgeklebte Folie aus Aluminium der
Kupfer handeln kann.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 schwingt
der Schwingkreis 1, bzw. die Oszillatorstufe, - bei ab
wesendem Auslösemagneten 11 - mit der normalen Resonanz
frequenz, wobei das HF-Schwingungsfeld in der anhand
Fig. 4 veranschaulichten Weise in dem aus Schalenkern 6 und
Jochstück 7 bestehenden Ferritkern 6/7 eingeschlossen bleibt.
Der Magnetfluß verläuft dabei durch den sättigungsempfind
lichen Bereich 9 an der Querschnittseinengung 8 hindurch.
Die Magnetkernanordnung ist so getroffen, daß kein merk
liches Streufeld auftritt.
Bei Annäherung des Auslöser-Magneten 11, die entweder frontal
(Doppelpfeil "F" oder seitlich (Doppelpfeil "S") erfolgen
kann, wird in dem Jochstück 7 ein zusätzlicher Magnetfluß
induziert, der ebenfalls durch die Einengungsstelle 8
hindurch verläuft und sich zumindest in einem Teilbereich
81 der Querschnittseinengung mit dem HF-Schwingungsfeld über
lagert (Fig. 5). Ab einer gewissen Annäherung erfährt die
Querschnittseinengung zunächst im Überlagerungsbereich 81
der jeweils gleich gerichteten Magnetflüsse und danach im
gesamten sättigbaren Bereich 9 eine magnetische Sättigung,
was in Fig. 6 durch den schraffierten Bereich 82 der Quer
schnittseinengung 8 angedeutet ist. In diesem Sättigungs
bereich tritt das HF-Schwingungsfeld zunehmend als Streufeld
13 auf. Dieses Streufeld durchsetzt zwangsläufig die in
nur wenigen Zehntel Millimeter Abstand vor der Spule 5 bzw.
dem Schalenkern 6 befindliche, gut leitende Metallschicht 12,
in der infolgedessen starke Wirbelströme induziert werden,
was schlagartig zu einer starken Bedämpfung des Schwing
kreises 1 führt. Über die Auswertschaltung wird diese
Bedämpfung erfaßt und zur Auslösung eines Schaltvorganges
beim Schaltglied 4 ausgenutzt.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 6 wird der
Näherungsschalter direkt durch einen sich bewegenden Auslöser-
Magneten 11 bestätigt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist ein Dauermagnet 14
unter Zwischenschaltung beispielsweise einer Kunststoff
platte 15 innerhalb eines Gehäuses 16 vor der ansprech
empfindlichen Seite des Ferritkernes 6, 7 angeordnet.
In der Grundstellung verläuft ein ausreichender Teil 18 a
des Magnetfeldes 18 a und 18 b durch das Joch 7, um den
Einengungsbereich 8 in Sättigung zu halten, so daß das
HF-Feld in die Wirbelstromschicht 12 eindringt und der
Schwingkreis stark bedämpft ist.
Dem Näherungsschalter ist als Auslöser ein permeables,
magnetisch parallel zur Einengungsstelle 8 ausgerichtetes
Kurzschlußjoch 17 zugeordnet, das einen bei Annäherung an
den Dauermagneten 14 zunehmenden Magnetfeldanteil 18 b
aufnimmt, bis es die Pole NS so stark kurzschließt, daß
der verbleibende Magnetfeldteil 18 a nicht mehr ausreicht, um
die Sättigung im Bereich der Querschnittseinengung 8 auf
recht zu erhalten. Damit wird die Wirbelstrom-Metallschicht
12 wieder gegenüber dem HF-Feld abgeschirmt, so daß durch
Anschwingen bzw. Erhöhung der Schwingungsamplitude ein
Schaltvorgang ausgelöst wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt über das permeable Joch 17 eine indirekte magnetische
Auslösung des Schalters durch Entdämpfung.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist auf die Ansprech
seite des Ferritkernes 6, 7 ein Dauermagnet 19 gesetzt, dessen
Magnetfluß durch die Einengungsstelle 8 in die Verlängerungen
9 und 10 des Joches 7 hindurch verläuft und sich im übrigen
auf einer weiten Luftstrecke 20 schließt.
Beim Magneten 19 handelt es sich beim gezeigten Ausführungs
beispiel um einen kurzen Stabmagneten, der mit einem Polende
S unmittelbar auf das Jochstück 7 aufgesetzt ist. Dieser
Dauermagnet 19 ist derart bemessen, daß in der Grundstellung
sein Feld nicht ausreicht, um den Ferritkern im Bereich der
Einengung 8 in Sättigung zu treiben. Das HF-Feld fließt
folglich durch die Einengungsstelle 8 hindurch, und der
Schwingkreis schwingt normal, d.h. ohne Dämpfung durch die
Wirbelstrom-Metallschicht 12.
Als Auslöser ist dem Näherungsschalter nach Fig. 8 ein
permeables Leitstück 21 zugeordnet, das magnetisch in Reihe
mit der Einengungsstelle 8 und dem Dauermagneten 19 geschaltet
ist. Dieses Leitstück 21 fängt das Magnetfeld des Dauermagneten
19 mit zunehmehmender Annäherung stärker ein und setzt
schließlich den Luftstreckenwiderstand so weit herab, daß
sich im Bereich der Querschnittseinengung 8 ein solch ver
stärkter Magnetfluß ergibt, daß dort eine Kernsättigung
erfolgt. Damit wird die Metallschicht 12 quasi eingeblendet,
in die das HF-Feld nunmehr eindringt, so daß der Schwingkreis
bedämpft wird, was zur Auslösung eines Schaltvorganges aus
genutzt wird.
Fig. 9 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des L-Gliedes
des Schwingkreises. Hier besteht das den Ferritschalenkern 6
kurzschließende Jochstück 22 aus einem Streifen aus amorphem
Metallband, welches auch als metallisches Glas bezeichnet
wird und welches im deutschen Bereich unter dem geschützten
Warenzeichen "Vitrovac" vertrieben wird. Dieses Material weist
eine hohe Permeabilität auf, besitzt aber eine im Vergleich
zu Transformatoren- oder Dynamoblechen geringe elektrische
Leitfähigkeit. Das streifenförmige Jochstück 22 weist eine
Stärke von etwa 30 Mikron, und bei einem Ferritkern von
6 Millimetern Durchmesser eine Breite von zwei Millimetern
und eine Länge von etwa 6 Millimetern auf, wobei durch Wahl
einer größeren Länge die Ansprechempfindlichkeit erhöht werden
kann. Das amorphe Metallband ist flexibel, bruchfest und bildet
über seine gesamte Länge hinweg den sättigungsempfindlichen
Bereich 9. Dieses Material ermöglicht sehr kleine Bauformen.
Im übrigen sind Aufbau und Wirkungsweise des L-Gliedes nach
Fig. 9 gleich wie bei dem L-Glied nach Fig. 4 bis 6, und das
L-Glied nach Fig. 9 kann auch bei den Anordnungen mit indirekter
magnetischer Auslösung nach den Fig. 7 und 8 eingesetzt werden.
In allen Fällen stellen die Jochstücke 7, 22 eine magnetische
Blende dar, die das HF-Sensorfeld in dem geschlossenen, vom
Ferrittopf 6 und dem Joch 7, 22 gebildeten Magnetflußkreis
zurückhalten. Erst wenn durch eine äußere, direkte oder
indirekte magnetische Auslösung im Jochstück 7 bzw. 22
Sättigung auftritt, wird die Blende geöffnet und dringt
das Sensorfeld bis zur Wirbelstromschicht 12, was dann mit
der beschriebenen abrupten Dämpfung des Schwingkreises ver
bunden ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 kann auf
die Ansprechempfindlichkeit auch noch dadurch Einfluß ge
nommen werden, daß zwischen dem Jochstück aus amorphem
Metallband und dem Ferritschalenkern eine elektrisch nicht
leitende, magnetisch neutrale Isolierschicht in Form einer
Kunststoffolie oder einer Kleberschicht von z. B. 100 Mikron
Stärke vorgesehen wird.
Claims (9)
1. Auf einen sich annähernden Auslöser ansprechender Näherungs
schalter, mit einem HF-Schwingkreis, für dessen Schwingungs
magnetfeld ein geschlossener Kern vorgesehen ist, welcher
mindestens einen sättigungsempfindlichen Bereich aufweist,
und mit einer Auswertschaltung, die die von dem Grad der
Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und
bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines bestimmten
Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang auslöst, dadurch
gekennzeichnet, daß der sättigungsempfindliche Bereich
(8) des Kernes an seiner der Schwingkreisspule (5) abge
wandten Seite mit einer elektrisch leitenden Wirbelstrom-
Metallschicht (12) oder -Metallfolie versehen ist.
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ihm ein beweglicher Dauermagnet (11) oder Elektro
magnet als Auslöser zugeordnet ist.
3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Näherungsschalter ein Dauermagnet (14) oder Elektro
magnet angeordnet ist, der ein zur Sättigung des sättigungs
empfindlichen Kernbereiches ausreichendes Magnetfeld (18 a)
besitzt, und daß der Auslöser aus permeablem Material
besteht und als Kurzschlußjoch (17) ausgebildet ist, welches
bei Annäherung einen zunehmenden Magnetfeldanteil (18 b)
des eingebauten Magneten einfängt und die Sättigung des
Kernbereiches (6/7) mindert, bzw. aufhebt.
4. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß im Näherungsschalter ein Dauermagnet (19) oder Elektro
magnet eingebaut ist, dessen bei abwesendem Auslöser zu
einer Sättigung nicht ausreichendes Magnetfeld (20) durch
den sättigungsempfindlichen Bereich (8) hindurch und auf
einer weiten Strecke außerhalb des Näherungsschalters
verläuft, und daß der Auslöser ein permeables Leitstück
(21) ist, welches bei einer Annäherung durch Verkürzung
der Luftstrecke (20) des Magnetfeldes den magnetischen
Leitwert des Magnetkreises erhöht und den Magnetfluß
bis zur Sättigung des sättigungsempfindlichen Bereiches
(8) verstärkt.
5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wirbelstrom-Metallschicht (12) aus
einem nicht permeablen Material, z.B. aus Aluminium oder
Kupfer besteht.
6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus einem die
Spulen (5) tragenden Ferritschalenkern (6) und einem
den HF-Magnetkreis kurzschließenden Jochstück (7, 22)
besteht, an dem der sättigungsempfindliche Bereich (9)
vorgesehen ist.
7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Jochstück (7) aus einer Ferritplatte besteht, die
in ihrer Mitte mit einem den sättigungsempfindlichen
Bereich (9) bildenden Querschnittseinengung (8) versehen
ist.
8. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Jochstück (22) aus einem Streifen aus amorphem
Metallband besteht.
9. Näherungsschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Jochstück (22) aus amorphem Metallband
und dem Ferritschalenkern (6) eine elektrisch nicht
leitende, magnetisch neutrale Isolierschicht in Form
einer Kunststoffolie oder einer Kleberschicht von z.B.
100 Mikron Stärke vorgesehen ist.
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Family
ID=25836010
Family Applications (1)
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