DE3714938A1

DE3714938A1 - TWO-POINT SWITCH

Info

Publication number: DE3714938A1
Application number: DE19873714938
Authority: DE
Inventors: Bruno Weisshaupt
Original assignee: Baumer Electric AG
Current assignee: Baumer Electric AG
Priority date: 1986-05-29
Filing date: 1987-05-05
Publication date: 1987-12-03
Also published as: GB2191005A; GB8712557D0; GB2191005B; CH670538A5

Abstract

A proximity switch has an oscillator dimensioned in such a way that its output characteristic is extended, so as to be able to fix plural switching distances over the entire possible range which are as far apart as possible. This can be achieved by an oscillator (30) with an oscillator coil (32) having a centre tap (33) and an end tap (34) giving two outputs (A1, A2) providing respective switching signals at different switching distances (S1, S2). A single switching point or both switching points can be varied, in order to obtain random window functions. One output (A1) can be a.c. coupled while the other output (A2) is d.c. coupled. <IMAGE>

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Näherungsschalter und betrifft die besondere Ausgestaltung und besonderen Betrieb eines induktiven Näherungsschalters der bekannten Art gemäß Oberbegriff der Vorrichtungs- und Verfahrenshauptansprüche.The invention is in the field of proximity switches and concerns the special design and special operation an inductive proximity switch according to the known type General term of the main device and process claims.

Ein induktiver Näherungsschalter der bekannten Art, besteht in der Regel aus einem Oszillatorteil, einem Signalauswerte teil und aus einer (meist kurzschlußfesten) Endstufe. Die Schaltcharakteristik eines solchen Schalters ist eine Funk tion des Oszillatorfeldes und zeigt eine ganz bestimmte geometrische Ausbreitung in Bezug zur aktiven Fläche des Näherungsschalters. Im einfachsten Fall, bei einer Oszilla torspule in einem Schalenkern, liegen symmetrische Verhält nisse vor, so daß die Parameterschar verschiedener Schalt charakteristikas aus einer Hüllkurvenschar eines funktionel len Verlaufs besteht. Entspechend des Annäherungsweges eines Bedämpfungskörpers in den Feldbereich des Oszillators, resultiert eine bestimmte Hüllkurve mit den geometrischen Orten der Schaltabstände.An inductive proximity switch of the known type exists usually from an oscillator part, a signal evaluation part and from a (mostly short-circuit proof) power amplifier. The Switching characteristic of such a switch is a radio tion of the oscillator field and shows a very specific geometric spread in relation to the active area of the Proximity switch. In the simplest case, with an Oszilla torsion coil in a shell core, there are symmetrical relationships nisse before, so that the set of parameters different switching characteristics from a family of envelopes of a functional len course exists. Corresponding to the approach path a damping body in the field area of the oscillator, results in a certain envelope with the geometric Locating the switching distances.

Es ist das Ziel der Erfindung, einen induktiven Näherungs schalter so auszugestalten, daß er weiteren neuen Appli kationen zugänglich ist.The aim of the invention is an inductive approximation switch so that it has further new appli cations is accessible.

Dieses Ziel wird gemäß Erfindungsidee erreicht, in dem ein Oszillator so dimensioniert wird, daß seine Ausgangskenn linie gestreckt verläuft, um auf dem gesamten möglichen Bereich Schaltabstände festlegen zu können, die möglichst weit auseinanderliegen.This goal is achieved according to the inventive idea in which a Oscillator is dimensioned so that its output characteristics line stretched to run on the whole possible Range to be able to set the switching distances as possible are far apart.

Dies läßt sich in einer Ausführungsform der Erfindung durch einen Oszillator mit einer Oszillatorspule mit Mittel- und Endabgriff und mit Herausführung des analogen Oszillatorausgangssignal, zur Bereit stellung von Schaltsignalen verschiedener Schaltabstände realisieren. Weitere Ausführungsformen sind so aus gestaltet, daß ein einzelner Schaltpunkt oder beide Schalt punkte variierbar sind, um beliebige Fensterfunktionen zu realisieren.This can be done in one embodiment of the invention using an oscillator with an oscillator coil Middle and end tap and with lead-out of the analog oscillator output signal, ready position of switching signals of different switching distances realize. Other embodiments are so designed that a single switching point or both switching points can be varied to create any window functions realize.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren, wird eine Aus führungsform der Erfindung eingehend diskutiert. Es zeigtBased on the figures listed below, an off management form of the invention discussed in detail. It shows

Fig. 1A in stilisierter Darstellung einen Oszillator mit eingezeichnetem Verlauf der geometrischen Orte von Schaltabständen und einem Bedämpfungskörper für seitliche Annäherung; Fig. 1A is a stylized representation of an oscillator with plotted course of the loci of switching intervals and a Bedämpfungskörper for lateral approach;

Fig. 1B in einer anderen Darstellungsart einen Oszillator mit zugeordneten Schaltbereichen und einem Bedäm pfungskörper für frontale Annäherung; Fig. 1B in another representation, an oscillator with assigned switching ranges and a damping body for frontal approach;

Fig. 2 eine typische Schaltfunktion U = f(x) mit einem in stilisierter Darstellung dazugezeichneten Schalter und Bedämpfungskörper (Oszillator-Bedämpfungskör per-Paar) und in Fig. 2 shows a typical switching function U = f (x) with a switch and damping body drawn in a stylized representation (oscillator-damping body per pair) and in

Fig. 3 ein allgemeines schaltungstechnisches Beispiel ei ner Ausführungsform im Zusammenhang mit der Erfin dung. Fig. 3 shows a general circuit example of an embodiment in connection with the inven tion.

Fig. 4A bis 4C zeigen verschiedene Schaltfunktionen von 2- oder 3-Leiterschaltern mit einem oder 4-Leiter schalter mit zwei Ausgängen. FIG. 4A to 4C show various switching functions of 2- or 3-conductor switches, with one or 4-wire switch with two outputs.

Fig. 5A und B zeigen Schaltfunktionen von weiteren Ausfüh rungsformen. Fig. 5A and B show further switching functions of exporting approximately shapes.

Ein stilisiert dargestellter, nach außen offener Oszillator A (Fig. 1A und B) mit einer aktiven Fläche a sendet ein Wechselfeld aus, das bei frontaler oder seitlicher Annähe rung eines Bedämpfungskörpers B (Fig. 1A) an den einge zeichneten Schaltabständen (Punkten) der (symmetrischen) Kurven der Schaltabstände S 1 und S 2 eine Schaltfunktion auslöst. Bei einer Schalenkernausführung bspw. sind die Kurven der Schaltabstände S 1, S 2 als Längsschnitte von Hüll flächen der geometrischen Orte aller möglichen Schaltab ständen aufzufassen, bei deren Durchdringung mit einem bspw. metallischen Dämpfungskörper eine Schaltfunktion ausgelöst wird. Diese Hüllfläche als geometrischer Ort aller Schalt abstände einer Oszillatorspule, kann, in infinitesimaler Betrachtung, außer durch die aktive Fläche a hindurch, prinzipiell von jeder Richtung her mit einem Bedämpfungs körper durchdrungen werden. In der Regel werden jedoch nur seitliche und frontale Annäherungen benützt. A stylized, open to the outside oscillator A ( Fig. 1A and B) with an active surface a sends out an alternating field, the tion of front or side approaching a damping body B ( Fig. 1A) at the indicated switching distances (points) (symmetrical) curves of the switching distances S 1 and S 2 triggers a switching function. In a shell core version, for example. The curves of the switching distances S 1 , S 2 are to be understood as longitudinal sections of the enveloping surfaces of the geometric locations of all possible switching positions, when penetrated by a, for example, metallic damping body, a switching function is triggered. This envelope surface as the geometric location of all switching distances of an oscillator coil can, in infinitesimal consideration, except through the active surface a , be penetrated in principle from any direction with a damping body. As a rule, however, only lateral and frontal approaches are used.

Der Oszillator zum Betrieb gemäß Erfindung weist aufgrund einer gleichzeitigen Auswertung der in Fig. 2 dargestellten Oszillatorausgangskennlinie in Funktion des Abstands des Bedämpfungsstücks B an einer entfernten, sowie einer nahen Stelle zwei ineinanderliegende Hüllkurven auf, bei deren Durchdringung mit einem Bedämpfungskörper nacheinander je ein Schaltsignal generiert wird. In Fig. 1A ist dies durch die Schnittdarstellung der beiden Hüllflächen der Schalt abstände S 1, S 2 und in Fig. 1B durch zwei Schaltbereiche der Schaltabstände S 1, S 2 mit verschiedener Streubreite (Be reichsbreite) von ungefähr +20% für den entfernten Bereich und ungefähr ±5% für den nahen Bereich dargestellt. Die beiden verschiedenen Darstellungen werden auch dazu noch benützt, um die zwei häufigsten Fälle von Näherung eines Bedämpfungskörpers, seitlich und frontal an den Oszillator zu zeigen. In Fig. 1A ist die häufigere seitliche Annähe rung gezeigt, bei der ein Bedämpfungskörper B, der sich in Pfeilrichtung bewegt, zuerst das Schaltsignal für die Schaltabstände S 1 erzeugt und bei weiterem Vorrücken schließlich auch das Schaltsignal für die Schaltabstände S 2. Dasselbe geschieht auch bei frontaler Näherung gemäß Fig. 1B, wenn sich der Bedämpfungskörper B in Pfeilrichtung auf dem Weg x dem Oszillator nähert. Streng genommen sind in Fig. 1A mit den die Hüllkurve bestimmenden Schalt-Punkten Mittelwerte aus einem Schaltbereich eingezeichnet, welcher Schaltbereich der Schaltabstände S 1 ± 20% und der Schalt abstände S 2 ± 5% nebst einem (normalen) Schaltabstand Sn (Mittelwerte) in Fig. 1B dargestellt ist. Auch in diesem Fall wird ein sich frontal dem Oszillator nähernder Be dämpfungskörper nacheinander zwei verwertbare Signale der Schaltabstände S 1, S 2 erzeugen.Based on a simultaneous evaluation of the oscillator output characteristic curve shown in FIG. 2 as a function of the distance of the damping piece B at a distant and a close point, the oscillator for operation according to the invention has two enveloping curves, one inside the other, a switching signal of which is generated when they are penetrated by a damping body . In Fig. 1A, this is by the sectional view of the two envelope surfaces of the switching distances S 1 , S 2 and in Fig. 1B by two switching ranges of the switching distances S 1 , S 2 with different spreading width (loading range width) of approximately + 20% for the distant Range and approximately ± 5% for the near range. The two different representations are also used to show the two most common cases when a damping body approaches the side and front of the oscillator. In Fig. 1A, the more frequent lateral approach is shown, in which a damping body B , which moves in the direction of the arrow, first generates the switching signal for the switching distances S 1 and, with further advancement, finally also the switching signal for the switching distances S 2 . The same also happens with a frontal approach according to FIG. 1B, when the damping body B approaches the oscillator in the direction of the arrow on the path x . Strictly speaking, mean values from a switching range are shown in FIG. 1A with the switching points determining the envelope curve, which switching range of the switching distances S 1 ± 20% and the switching distances S 2 ± 5% together with a (normal) switching distance Sn (average values) in Fig. 1B is illustrated. In this case, too, a damping body approaching the oscillator from the front will successively generate two usable signals of the switching distances S 1 , S 2 .

Die Realisierung der 2 Schaltpunkte kann durch gleichzeitige Auswertung des DC-Signals für den Nahbereich sowie des AC- Signals für den entfernten Bereich erreicht werden. Auf diese Art erhält man aus einem üblichen induktiven Näherungsschalter ohne großen Aufwand einen induktiven Zweipunkt-Näherungsschalter mit räumlich und/oder zeitlich sequentieller Schaltcharakteristik oder anders betrachtet, man erhält einen induktiven Näherungsschalter mit zwei Reichweiten. Solch einem neuen Näherungsschalter steht na türlich ein weiteres Applikationsfeld offen als dem unver änderten Einpunkt-Näherungsschalter von ehedem. Als Beispiel soll bei frontaler (aber auch seitlicher) Annäherung die Vorwarnmöglichkeit genannt werden, wobei das Signal für die Schaltabstände S 1 aus dem Bereich mit der größeren Reich weite dazu verwendet wird, um präliminare Maßnahmen vor dem Erreichen des "eigentlichen" Schaltpunkte welcher die Schaltsignale für die Schaltabstände S 2 auslöst, zu treffen. Eine solche Maßnahme ist bspw. die Verringerung der Ge schwindigkeit, um den eigentlichen Schaltpunkt präziser anzusteuern und dies, da dies erst nahe beim Schalter bzw. dessen aktiven Fläche a, mit nur unwesentlichem Zeitverlust. In dieser Applikationsform verhält sich der neue Näherungs schalter wie ein Präzisionsnäherungsschalter und zwar ein sehr kostengünstiger Präzisionsnäherungsschalter.The realization of the 2 switching points can be achieved by simultaneous evaluation of the DC signal for the near range and the AC signal for the far range. In this way, an inductive two-point proximity switch with spatially and / or temporally sequential switching characteristics or, viewed differently, is obtained from a conventional inductive proximity switch with little effort, and an inductive proximity switch with two ranges is obtained. Such a new proximity switch naturally has another field of application than the unchanged one-point proximity switch from before. As an example, the prewarning option should be mentioned in the case of a frontal (but also a lateral) approach, the signal for the switching distances S 1 from the area with the larger range being used to take preliminary measures before the "actual" switching points of the switching signals are reached triggers for the switching distances S 2 . Such a measure is, for example, the reduction of the speed in order to control the actual switching point more precisely and, since this is only close to the switch or its active area a , with only an insignificant loss of time. In this form of application, the new proximity switch behaves like a precision proximity switch, namely a very inexpensive precision proximity switch.

Eine Funktionsdarstellung der obengeschilderten Zusammen hänge zeigt Fig. 2 in Form einer einem stilisierten Oszil lator-Bedämpfungskörper-Paar überlagerten Graphik U = f(x). Auf der Distanzachse (Abszisse) sind drei Distanz-(Schalt spannungs-)Bereiche für die Schaltabstände S 1, Sn, S 2 einge zeichnet, die gemäß der Darstellung nach Fig. 1A drei Hüllflächen entsprechen würden. Der Bedämpfungskörper B nähert sich der aktiven Fläche a des Oszillators A und erreicht zuerst den Bereich der Schaltabstände S 1 mit der größten Reichweite, das ist zugleich auch der Bereich mit dem größten AC-Anteil und der größten räumlichen Ausdeh nung, so ungefähr ±20%. In Richtung Oszillator, nimmt nicht nur, wie in der Funktion gezeigt, der AC-Anteil ab, es verändert sich auch der Verlauf der Funktion, sie geht in einen mehr oder weniger linearen Bereich über. In diesen Bereich wird gemäß strenger Norm im allseitsbekannten Be trieb eines induktiven Näherungsschalters die (Normal-) Schaltfunktion der Schaltabstände Sn gelegt; dieser Bereich weist eine Schalthysterese von ungefähr 5 bis 20% auf und entspricht dem Normalbetrieb des Näherungsschalters. Noch näher zur aktiven Fläche a hin, kommt ein (praktisch) AC freier DC-Bereich der Schaltabstände S 2 von ungefähr ±5%. Dieser Sachverhalt ist durch die charakteristische Schalt funktion mit der in der Regel nicht dargestellten AC-Über lagerung in Fig. 2 dargestellt.A functional representation of the relationships described above is shown in FIG. 2 in the form of a graph U = f (x) superimposed on a stylized oscillator damping body pair. On the distance axis (abscissa) three distance (switching voltage) areas for the switching distances S 1 , Sn, S 2 are drawn, which would correspond to three envelope surfaces according to the illustration in FIG. 1A. The damping body B approaches the active surface a of the oscillator A and first reaches the range of the switching distances S 1 with the greatest range, which is also the range with the largest AC component and the greatest spatial expansion, approximately ± 20%. . In the direction of the oscillator, not only does the AC component decrease, as shown in the function, but also the course of the function changes, it changes into a more or less linear range. In this area, the (normal) switching function of the switching distances Sn is placed in accordance with a strict norm in the well-known operation of an inductive proximity switch; this range has a switching hysteresis of approximately 5 to 20% and corresponds to the normal operation of the proximity switch. Even closer to the active area a , there is a (practically) AC free DC range of the switching distances S 2 of approximately ± 5%. This fact is shown by the characteristic switching function with the AC overlay, which is not usually shown, in FIG. 2.

Es ist nun vorteilhaft, den Oszillator so auszulegen, daß ein eher flacher Verlauf der Funktion U = f(x) entsteht, so daß die beiden genutzten Bereiche der Schaltabstände S 1 und S 2 (Sn wird nicht benutzt) bezüglich der Abzisse weit, bis maximal weit auseinanderliegen. Damit wird erreicht, daß der zur Schaltung benützte Nahbereich der Schaltabstände S 2 räumlich distant zum Vorwarnbereich der Schaltabstände S 1 liegt, wie dies in Fig. 1A u. a. darzustellen versucht wird.It is now advantageous to design the oscillator in such a way that the function U = f (x) is rather flat, so that the two ranges of the switching distances S 1 and S 2 used (Sn is not used) are wide in terms of the abscissa until are as far apart as possible. This ensures that the close range of the switching distances S 2 used for switching is spatially distant from the prewarning area of the switching distances S 1 , as is attempted to be shown in FIG. 1A, among others.

In Fig. 3 ist ein Beispiel einer Schaltung für den Nähe rungsschalter gemäß Erfindung in allgemeiner Beschaltung dargestellt. Der Oszillator 30 weist nebst den Speiselei tungen zwei Signalausgänge A 1 und A 2 auf und zwar je einen für den ferneren Bereich der Schaltabstände S 1, der bei A 1 AC ausgekoppelt ist, und für den nahen Bereich der Schalt abstände S 2, der DC ausgekoppelt ist. Beim hier dargestell ten LC-Oszillator mit der Induktivität L und der Kapazität C wird eine Spule 32 mit einer Mittelanzapfung 33 verwendet. Eine allgemein dargestellte schwingfähige (Treiber-)Be schaltung 31 kann nach bekannter Art ausgeführt sein. Die beiden Signale der Schaltabstände S 1 und S 2 an den Ausgängen A 1 und A 2 werden vorteilhafterweise simultan ausgewertet, das heißt, daß ein sich dem Oszillator nähernder Bedäm pfungskörper von einem "Vorbereich" wahrgenommen wird, bevor er in den eigentlichen Schaltbereich kommt. Die Zeitspanne, die der Bedämpfungskörper braucht, um von einem Bereich in den andern zu kommen, kann bspw. benützt werden, um die Geschwindigkeit des Werk- oder Maschinenteiles mit dem Be dämpfungskörper in einen Schleichgang herabzusetzen. Außer diesem Anwendungsbeispiel sind noch weitere nützliche Appli kationen denkbar, die erst durch die Erfindung ermöglicht werden.In Fig. 3 an example of a circuit for the proximity switch according to the invention is shown in general wiring. In addition to the feed lines, the oscillator 30 has two signal outputs A 1 and A 2 , one each for the further range of the switching distances S 1 , which is coupled out at A 1 AC, and for the close range of the switching distances S 2 , the DC is uncoupled. In the LC oscillator shown here with the inductance L and the capacitance C , a coil 32 with a center tap 33 is used. A generally shown oscillatable (driver) Be circuit 31 can be carried out in a known manner. The two signals of the switching distances S 1 and S 2 at the outputs A 1 and A 2 are advantageously evaluated simultaneously, that is to say that a damping body approaching the oscillator is perceived by a "pre-range" before it enters the actual switching range. The time it takes for the damping body to come from one area to the other can be used, for example, to reduce the speed of the work or machine part with the damping body in a creep speed. In addition to this application example, other useful applications are conceivable, which are only made possible by the invention.

Mit einem solchen Schalter gemäß Erfindung sind, wie in den Fig. 4A, 4B und 4C gezeigt, verschiedene Betriebsformen möglich. Der induktive Näherungsschalter gemäß Erfindung, der bei Annäherung eines Bedämpfungsstückes in einem ersten Abstand S 1 den ersten Schaltpunkt hat und in einem nächsten Abstand S 2 einen "exakteren" zweiten Schaltpunkt hat, läßt sich bspw. mit folgenden Spezifikationen realisieren:With such a switch according to the invention, as shown in FIGS. 4A, 4B and 4C, various modes of operation are possible. The inductive proximity switch according to the invention, which has the first switching point at a first distance S 1 when a damping element approaches and has a "more precise" second switching point at a next distance S 2 , can be implemented, for example, with the following specifications:

- S 1 is at least 50% larger than Sn according to the CENELEC standard,
- S 2 is approximately 50% of Sn ,
- S 1 has an accuracy of ± 20% over a temperature range of 25-75 degrees (Cel sius),
- S 2 has an accuracy of ± 5% over a temperature range of 25-75 degrees (Cel sius).

Als 3-Leiterschalter mit 2 Ausgängen, wie in Fig. 3 bspw. dargestellt, zeigt am Ausgang A 1 eine Schaltfunktion gemäß Fig. 4A und am Ausgang A 2 eine Schaltfunktion gemäß Fig. 4B. Bezogen auf die Schaltpunkte S 1 und S 2 erhält man eine Fensterfunktion, wie sie in Fig. 4C dargestellt ist. Selbst verständlich sind auch die inversen Funktionen möglich.For example as a 3-conductor switch 2 outputs, as shown in Fig. 3. Presented at output A 1 represents a switching function according to Figs. 4A and at the output of A 2 is a switching function according to Fig. 4B. In relation to the switching points S 1 and S 2 , a window function is obtained, as is shown in FIG. 4C. The inverse functions are of course also possible.

Diese Fensterfunktion erlaubt, gemessen an den bekannten induktiven Näherungsschaltern, ein weitere Anzahl Applika tionen und ist, wie in den beiden Fig. 5A und 5B gezeigt weiter variierbar. Eine erste Variante (Fig. 5A) ist folgen de:This window function, measured on the known inductive proximity switches, permits a further number of applications and, as shown in the two FIGS. 5A and 5B, can be varied further. A first variant ( FIG. 5A) is as follows:

- The switching point S 2 is fixed, so it is fixed and the switching point S 1 is kept adjustable, for example by means of a potentiometer, over a desired range. In this way, a variable window function is obtained for corresponding applications.
- Both switching points S 1 and S 2 are kept adjustable over a desired range, for example by means of a potentiometer. In this way, one obtains a sliding window function for a fixed window and a variable and adjustable window function for corresponding applications for a changing window width.

Die Verstellung ist natürlich nicht zwangsläufig über ein Potentiometer erwirkbar, es sind Ausführungsformen möglich, mit der die Fensterfunktion automatisch verstellt werden kann. Damit läßt sich durch einen Regelvorgang ein Fenster der adäquaten Größe in einem gewünschten Bereich halten.The adjustment is of course not necessarily over one Potentiometer can be implemented, embodiments are possible with which the window function is automatically adjusted can. This allows a window to be opened by a control process keep the appropriate size in a desired area.

Claims

1. Inductive proximity switch, characterized by an oscillator ( 30 ) with an oscillator coil ( 32 ) with tel ( 33 ) and end tap ( 34 ) and with lead-out (A 1 , A 2 ) of the analog oscillator output signal, for providing switching signals of different switching distances (S 1 , S 2 ).

2. Proximity switch according to claim 1, characterized in that the signal effect path from the center tap ( 33 ) has an AC coupling and the signal effect path from the end tap ( 34 ) has a DC coupling.

3. Proximity switch according to claim 1 and / or 2, characterized in that at least one Schaltab stood (S 1 ) is variable.

4. Proximity switch according to claim 1 and / or 2, characterized in that two switching distances (S 1 and S 2 ) (S 1 ) can be varied.

5. A method of operating the proximity switch according to claim 1, characterized in that window functions are formed with the signals of the various switch outputs with the associated switching distances (S 1 , S 2 ).

6. A method of operating the proximity switch according to claim 5, characterized in that with the signals of the various switch outputs with the associated switching distances (S 1 , S 2 ) variable and / or ver sliding window functions are formed.