DE3730113C1 - Inductive sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Sensor gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an inductive sensor according to the preamble of claim 1.
Ein induktiver Sensor, der einen vergleichsweise ähnlichen Aufbau wie der gattungsgemäße aufweist, ist aus der DE 34 38 998 A1 bekannt, wobei dort jedoch mit zwei konzentrischen, elektrisch voneinander isolierten Abschirmmänteln gearbeitet wird. Diese Abschirmmäntel bestehen aus Kupfer, Aluminium, Messung oder dergleichen. Insofern verwendet man bei diesem bekannten Sensor keine ferromagnetische Gehäusehülse, sondern nutzt die dortige Gehäusehülse ebenfalls als paramagnetischen Abschirmring.An inductive sensor that has a comparatively similar structure as the generic has, is from DE 34 38 998 A1 known, but there with two concentric, electrical shielding coats insulated from one another. These Shielding coats are made of copper, aluminum, measurement or the like. In this respect one uses this known sensor no ferromagnetic housing sleeve, but uses the one there Housing sleeve also as a paramagnetic shielding ring.
Bei anderen induktiven Sensoren, die die Annäherung eines magnetisch leitfähigen Materials gegenüber ihrer aktiven Stirnfläche auf der Basis der Veränderung der Wirbelströme und der Wirbelstromverluste ermitteln, hat man bisher zur Reduzierung der Wirbelstromverluste eine Kupferfolie, einen Kupferring oder einen aufgedampften Metallfilm, z. B. aus Chrom (DE 30 14 416 A1) direkt um den Ferritkern des Sensors vorgesehen. Hierdurch konnte man schon die Wirbelstromverluste in der Gehäusehülse beträchtlich reduzieren. Die Gesamtverluste waren jedoch nach wie vor relativ hoch, da nunmehr die Wirbelstromverluste in der Kupferfolie hinzutraten. Diese vorgenannten Vorschläge haben jedoch noch praktische Grenzen, da z. B. die Wirbelstromverluste im Abschirmring bzw. im Gehäuse noch zu hoch sind, führt dies zu einem relativ begrenzten Schaltabstand der Sensoren. With other inductive sensors that approach a magnetically conductive material opposite their active face based on the change in eddy currents and eddy current losses determine, one has so far to reduce the Eddy current losses a copper foil, a copper ring or an evaporated metal film, e.g. B. made of chrome (DE 30 14 416 A1) provided directly around the ferrite core of the sensor. This allowed the eddy current losses in the housing sleeve are considerable to reduce. However, the overall losses were still before relatively high, since now the eddy current losses in the Add copper foil. Have these suggestions above however still practical limits, since e.g. B. the eddy current losses are still too high in the shielding ring or in the housing, this leads to a relatively limited switching distance of the sensors.
Aber auch unter dem Aspekt, daß die Materialeigenschaften des Abschirmringes in Richtung eines Supraleiters gehen würden, bliebe der Verlust in einer Gehäusehülse aus Stahl relativ hoch. Definiert man die Verluste als Ohm'scher Widerstand, so könnte auch bei supraleitender Eigenschaft des direkt um den Ferritkern des Sensors angeordneten Abschirmringes für einen Sensor mit dem Gesamtdurchmesser von 12 mm (Größe M 12) ein Widerstand zwischen 0,15 und 0,2 Ohm festgestellt werden.But also under the aspect that the material properties of the shielding ring would go in the direction of a superconductor, the loss in a steel housing sleeve would remain relative high. If you define the losses as ohmic resistance, So even with the superconducting property of Shield ring arranged directly around the ferrite core of the sensor for a sensor with the total diameter of 12 mm (size M 12) a resistance between 0.15 and 0.2 ohms can be determined.
Andererseits ist man bei induktiven Näherungsschaltern bestrebt, eine möglichst hohe Schaltempfindlichkeit zu erreichen oder mit anderen Worten den Schaltabstand, bei dem ein angenäherter Gegenstand detektiert wird, möglichst groß zu halten. In diesem Zusammenhang stellt man fest, daß ferromagnetische Metalle bei Annäherung an den Sensor in der Anfangsphase eine Reduzierung der gesamten Wirbelstromverluste bewirken, wobei dies in der Praxis eine große Reduktion des Schaltabstandes bedeutet. Dies führt man darauf zurück, daß die Wirbelstromverluste im Cu-Abschirmring aufgrund der Induktivitätsbeeinflussung zunächst absinken, was den Anstieg der Wirbelstromverluste in dem sich nähernden Metallgegenstand überkompensiert.On the other hand, with inductive proximity switches to achieve the highest possible switching sensitivity or in other words the switching distance at which an approximate object is detected, if possible keep big. In this context, you can see that ferromagnetic metals when approaching the sensor in the initial phase a reduction in the total eddy current losses effect, which is a great in practice Reduction of the switching distance means. This is done due to the fact that the eddy current losses in the copper shielding ring initially sink due to the influence of inductance, what the increase in eddy current losses in the approaching metal object overcompensated.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Sensor mit einer metallischen, insbesondere aus einem Stahl bestehenden Gehäusehülse und einem Abschirmring gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszulegen, daß bei einer effektiven Abschirmung die Wirbelstromverluste reduziert werden und die Empfindlichkeit des Sensors gesteigert werden kann, wobei zur Steigerung der Sensorempfindlichkeit auch die verfahrensmäßigen Betriebsparameter verbessert werden sollen.The invention is therefore based on the object of an inductive one Sensor with a metallic, in particular made of a steel housing sleeve and a shielding ring to be interpreted according to the preamble of claim 1 so that with effective shielding, the eddy current losses can be reduced and the sensitivity of the sensor increased can be used to increase sensor sensitivity also the procedural operating parameters should be improved.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem gattungsgemäßen induktiven Sensor durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und bei einem Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Sensors durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 10 gelöst.This object is achieved according to the invention in a generic inductive sensor by the characteristics of the characteristic Part of claim 1 and in a method for Operation of a corresponding sensor through the features of characterizing part of claim 10 solved.
Der Kerngedanke der Erfindung kann daher, ausgehend von der Prämisse, daß der Durchmesser der Gehäusehülse und damit deren innerer Durchmesser vorgegeben ist, in einer optimalen Anordnung des Abschirmringes im radialen Spalt zwischen dem Spulenkern und der Gehäusehülse gesehen werden, wobei der radiale Abstand zwischen dem inneren Durchmesser D₁ des Abschirmringes und dem äußeren Durchmesser D₀ des Spulenkerns durch die Wahl des Spulenkerns mitbeeinflußt wird. Dieser Kerngedanke ist in Fig. 1 dargestellt.The main idea of the invention can therefore be seen in an optimal arrangement of the shielding ring in the radial gap between the coil core and the housing sleeve, starting from the premise that the diameter of the housing sleeve and thus its inner diameter is predetermined, the radial distance between the inner Diameter D ₁ of the shielding ring and the outer diameter D ₀ of the coil core is influenced by the choice of the coil core. This key idea is shown in FIG. 1.
Hierbei geht man von der Überlegung aus, daß zwar die Wirbelstromverluste in der üblicherweise aus Stahl bestehenden Gehäusehülse für den Fall, daß der radiale Abstand zwischen D₃ und D₂ gegen Null geht, stark reduziert werden. Andererseits soll aber eine maximale Empfindlichkeit des Sensors in Abhängigkeit vom Durchmesser D₀ des Spulenkerns und dessen Abstand D₁-D₀ vom Abschirmring erreicht werden. In diesem Zusammenhang sind die nachstehenden Abhängigkeiten zu berücksichtigen. Einerseits hängt für einen gegebenen Schaltabstand oder Schaltpunkt die Änderung der Gesamtverluste Δ R V vom effektiven Durchmesser des Sensors ab, und Δ R V wird kleiner je kleiner der Durchmesser D₀ wird. Andererseits wird aber der Abfall des elektrischen Gesamtverlustes R V 0 anfangs wesentlich stärker von dem kleiner werdenden Abstand D₁-D₀ bestimmt, so daß hierdurch die Verkleinerung der Größe Δ R V/RV 0 durch die Abhängigkeit von Δ R V zu D₀ überkompensiert wird.This is based on the consideration that the eddy current losses in the housing sleeve, which is usually made of steel, are greatly reduced in the event that the radial distance between D ₃ and D ₂ approaches zero. On the other hand, a maximum sensitivity of the sensor should be achieved depending on the diameter D ₀ of the coil core and its distance D ₁- D ₀ from the shielding ring. The following dependencies must be taken into account in this context. On the one hand, for a given switching distance or switching point, the change in the total losses Δ R V depends on the effective diameter of the sensor, and Δ R V becomes smaller as the diameter D ₀ becomes smaller. On the other hand, the drop in the total electrical loss R V 0 is initially determined much more strongly by the decreasing distance D ₁- D ₀, so that this reduces the size Δ R V / R V 0 by the dependence of Δ R V on D ₀ is overcompensated.
Unter Berücksichtigung dieser Aspekte ergibt sich im Hinblick auf eine hohe Empfindlichkeit des induktiven Sensors bei guter Abschirmung eine optimale Differenz D₁-D₀ bei einem Maximum von Δ R V/RV 0. Bei dieser Einstellung erreicht der induktive Sensor seinen größten Schaltabstand. Bei dieser Auslegung des Sensors stellt R V 0 die elektrischen Gesamtverluste ohne einen zu detektierenden Fremdkörper im Raum vor der aktiven Stirnfläche dar, während Δ R V die Differenz der elektrischen Gesamtverluste R VM "mit" dem Sensor angenäherten Fremdkörper gegenüber den Gesamtverlusten R V 0 "ohne" Fremdkörper darstellt.Taking these aspects into account, there is an optimal difference D ₁- D ₀ with a maximum of Δ R V / R V 0 in view of a high sensitivity of the inductive sensor with good shielding. With this setting, the inductive sensor reaches its greatest switching distance. With this design of the sensor, R V 0 represents the total electrical losses without a foreign body to be detected in the space in front of the active end face, while Δ R V represents the difference between the total electrical losses R VM "with" foreign bodies approximated to the sensor and the total losses R V 0 " without "representing foreign bodies.
In der Praxis beträgt dieser Wert von Δ R V/RV 0 etwa 10 bis 20%, d. h. diese Veränderung muß eintreten, damit der induktive Sensor seinen Schaltpunkt erreicht.In practice, this value of Δ R V / R V 0 is approximately 10 to 20%, ie this change must occur so that the inductive sensor reaches its switching point.
Im Hinblick auf den Abschirmeffekt geht die Überlegung der Erfindung dahin, daß für die Betrachtung der Wirbelstromverluste im Abschirmring im wesentlichen ein relativ kleiner Bereich des Abschirmringes in der Nähe seiner Oberkante maßgebend ist. Auch stellte man fest, daß bei größer werdender Differenz D₁-D₀ die Wirbelstromverluste im Abschirmring zunächst stark sanken und gleichzeitig auch der Wirbelstromverlust in der Gehäusehülse bei Verkleinerung der Differenz D₁-D₃ in gleicher Weise abfällt. Mit dieser Maßnahme kann daher der Abschirmungseffekt verbessert werden. Die Berücksichtigung des Skineffektes führte dazu, daß man den Abschirmring, der aus einem paramagnetischen Material, z. B. Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht, mit einer radialen Stärke von etwa zwei Wirbelstrom- Skintiefen auslegen kann. Für Sensoren der Größe M12 und einem Betriebsfrequenz-Bereich zwischen 300 und 400 kHz gelangt man zu einem 0,2 mm starken Kupferring, der etwa 1 mm in axialer Richtung mißt.With regard to the shielding effect, the consideration of the invention is that essentially a relatively small area of the shielding ring in the vicinity of its upper edge is decisive for the consideration of the eddy current losses in the shielding ring. It was also found that as the difference D ₁- D ₀ the eddy current losses in the shielding ring initially fell sharply and at the same time the eddy current loss in the housing sleeve drops in the same way when the difference D ₁- D ₃ is reduced. With this measure, the shielding effect can therefore be improved. The consideration of the skin effect led to the shield ring being made of a paramagnetic material, e.g. B. copper or a copper alloy can design with a radial thickness of about two eddy current skin depths. For sensors of size M12 and an operating frequency range between 300 and 400 kHz, a 0.2 mm thick copper ring is obtained, which measures approximately 1 mm in the axial direction.
Die Wirbelstromverluste in der ferromagnetischen Gehäusehülse können durch eine bessere Leitfähigkeit des Abschirmringes noch reduziert werden. So würde beispielsweise bei einem Supraleiter als Abschirmring der entsprechende Verlust gegen Null gehen. Stellt man die Wirbelstromverluste anhand des Ohm'schen Widerstandes dar, so liegen diese Verluste für einen Cu-Abschirmring und einem Sensor der Größe M12 zwischen 0,02 und 0,04 Ohm, wobei dies auch von der Anordnung des Spulenkerns im Hinblick auf die Stirnflächenebene des Sensors, also ggf. einer Rücksetzung des Spulenkerns in die Gehäusehülse abhängt. Bei der Auslegung des Abschirmringes hat sich gezeigt, daß ein axialer Schlitz im Abschirmring eine weitere, kleinere Reduzierung der Verluste mit sich bringt. Hierdurch können auch bei der Montage geringfügige Produktionstoleranzen durch leichte Aufweitung oder durch geringfügige Durchmesser-Reduzierung des Abschirmringes ausgeglichen werden.The eddy current losses in the ferromagnetic housing sleeve can by better conductivity of the shielding ring still be reduced. For example, at the corresponding loss for a superconductor as a shielding ring go to zero. If you put the eddy current losses based on Ohm's resistance, these losses are for a Cu shield ring and a sensor of size M12 between 0.02 and 0.04 ohms, this also depends on the arrangement of the coil core with respect to the end face plane of the sensor, i.e. a reset of the coil core if necessary depends in the housing sleeve. When interpreting the Shielding ring has been shown to have an axial slot a further, smaller reduction in losses in the shielding ring brings with it. This can result in minor assembly errors Production tolerances through slight expansion or through slight reduction in diameter of the shielding ring be balanced.
Besonders zweckmäßig hat sich die direkte Anordnung des Abschirmringes am Innenumfang der Gehäusehülse erwiesen, so daß der Abstand D₃-D₂ Null wird. Gegebenenfalls kann dies im Hinblick auf einbautechnische Probleme dadurch verbessert werden, daß eine den Axialschnitt des Abschirmringes angepaßte Ringnut in der inneren Umfangswand der Gehäusehülse vorgesehen wird, in die der Abschirmring eingelegt wird.The direct arrangement of the shielding ring on the inner circumference of the housing sleeve has proven particularly expedient, so that the distance D ₃- D ₂ becomes zero. If necessary, this can be improved with regard to technical installation problems in that an annular groove adapted to the axial section of the shielding ring is provided in the inner peripheral wall of the housing sleeve, into which the shielding ring is inserted.
Im Hinblick auf eine gute Verarbeitung und die geforderte gute Leitfähigkeit hat sich ein Abschirmring aus Kupfer oder einer Kupferlegierung als geeignet gezeigt. Ein Nickel- Überzug des Cu-Abschirmringes kann dabei den Schutz vor einer Oxidation verbessern. Da die Stirnflächen des normalerweise aus einem Ferritmaterial bestehenden Spulenkerns, des Abschirmringes und der Gehäusehülse üblicherweise fluchten, genügt in der Regel ein axial relativ kurzer Abschirmring mit einer axialen Erstreckung von etwa 20 bis 40% der axialen Tiefe des Spulenkerns, wobei der Abschirmring am stirnseitigen Innenumfang der Gehäusehülse angeordnet ist. Eine weitere Reduzierung der Wirbelstromverluste in der Gehäusehülse erreicht man durch eine stirnseitige Abschrägung der Gehäusewandung, so daß ein leicht verjüngender Verlauf zur aktiven Stirnfläche des Sensors hin gegeben ist. Da als Material für die Gehäusehülse im Hinblick auf die Stabilität und Robustheit des gesamten Sensors primär Stahl eingesetzt wird, erreicht man mit der Erfindung einen induktiven Sensor, der trotz Stahlgehäuse die elektromagnetischen Eigenschaften eines Kupfergehäuses aufweist. Aufgrund des volumenmäßig kleinen Cu-Abschirmringes bleibt jedoch die Stabilität und Beständigkeit der Gehäusehülse erhalten.With regard to good workmanship and the required A copper shielding ring has good conductivity or a copper alloy shown as suitable. A nickel Coating the copper shielding ring can protect against this improve oxidation. Because the end faces of the normally coil core consisting of a ferrite material, the shielding ring and the housing sleeve are usually aligned, An axially relatively short shielding ring is usually sufficient with an axial extension of about 20 to 40% of the axial Depth of the coil core, with the shielding ring on the front Inner circumference of the housing sleeve is arranged. A further reduction of eddy current losses in the housing sleeve can be achieved by chamfering the front Housing wall, so that a slightly tapered course to active end face of the sensor is given. There as Material for the housing sleeve in terms of stability and robustness of the entire sensor primarily steel is achieved with the invention an inductive Sensor, which despite the steel housing the electromagnetic Features of a copper case. Because of the however, the copper shielding ring remains small in volume Preserve stability and durability of the housing sleeve.
Da mittels der vorgenannten Maßnahmen die Wirbelstromverluste in der Gehäusehülse und im Abschirmring relativ klein geworden sind, verbleibt im wesentlichen der durch die Hysterese bedingte Verlust im Ferritmaterial des Spulenkerns. Dieser Hysterese-Verlust steigt mit der Betriebsfrequenz im Quadrat an. Des weiteren wäre der als konstant ansehbare Ohm'sche Verlust R₀ der eingesetzten Spule zu nennen. Die dielektrischen Verluste können dabei insbesondere bei Betriebsfrequenzen zwischen 50 kHz und 300 kHz in der Praxis vernachlässigt werden.Since the eddy current losses in the housing sleeve and in the shielding ring have become relatively small by means of the aforementioned measures, the loss due to the hysteresis essentially remains in the ferrite material of the coil core. This hysteresis loss increases with the square of the operating frequency. Furthermore, the constant ohmic loss R ₀ of the coil used should be mentioned. In practice, the dielectric losses can be neglected, in particular at operating frequencies between 50 kHz and 300 kHz.
Neben diesen vorausgenannten Verlusten ist im Hinblick auf einen maximalen Schaltabstand des induktiven Sensors auch der Wirbelstromverlust in dem sich dem Sensor nähernden und zu detektierenden metallischen Fremdkörper zu berücksichtigen. Dieser Verlust R F ist proportional zur Frequenz und beträgtIn addition to these aforementioned losses, the eddy current loss in the metallic foreign body approaching the sensor and to be detected must also be taken into account with regard to a maximum switching distance of the inductive sensor. This loss R F is proportional to the frequency and is
R F = c × f P. R F = c × f P.
Hierbei ist c eine Konstante und p ein Materialwert, wobei p für nicht-ferromagnetische Metalle oder Nicht-Eisenmetalle 1/2 ist und für ferromagetische oder Eisenmetalle mit hoher Permeabilität zwischen 0,7 und 0,8 liegt.Here, c is a constant and p is a material value, p being 1/2 for non-ferromagnetic metals or non-ferrous metals and between 0.7 and 0.8 for ferromagnetic or ferrous metals with high permeability.
Aufgrund der Abhängigkeit der Wirbelstromverluste von der entsprechenden Betriebsfrequenz, mit der der induktive Sensor betrieben wird, und der Anordnung des Abschirmringes im radialen Spalt bei einem Maximum von Δ R V/RV 0, ergibt sich für den Betrieb des Sensors auch eine optimale Frequenz f opt. Diese optimale Frequenz berechnet sich alsDue to the dependence of the eddy current losses on the corresponding operating frequency with which the inductive sensor is operated and the arrangement of the shielding ring in the radial gap at a maximum of Δ R V / R V 0 , an optimum frequency f also results for the operation of the sensor opt . This optimal frequency is calculated as
Hierin ist p der vorausgenannte Materialfaktor und R₀ der Ohm'sche Widerstand der eingesetzten Spule. Der Wert a charakterisiert den Hystereseverlust im Ferritkern des Sensors und ist durch die Formel bestimmt,Here p is the aforementioned material factor and R ₀ the ohmic resistance of the coil used. The value a characterizes the hysteresis loss in the ferrite core of the sensor and is determined by the formula
R Hyst = a × f 2, R hyst = a × f 2 ,
wobei R Hyst der entsprechende effektive Verlustwiderstand ist, der von den nichtlinearen Eigenschaften des Ferritkerns und dessen Geometrie abhängt.where R Hyst is the corresponding effective loss resistance, which depends on the nonlinear properties of the ferrite core and its geometry.
Gemäß der Erfindung kann daher ein induktiver Sensor auf einen maximalen Wert von Δ R V/RV 0 optimiert werden, wobei die Dimensionierung von den Konstruktionsmaßen, wie Innendurchmesser D₃ der Gehäusehülse, Außendurchmesser D₀ des Spulenkerns und andererseits von der Leitfähigkeit des Abschirmringes abhängt. Diese Dimensionierung ist relativ unabhängig von der Leitfähigkeit und Permeabilität der üblicherweise aus einem Stahlmaterial bestehenden Gehäusehülse.According to the invention, an inductive sensor can therefore be optimized to a maximum value of Δ R V / R V 0 , the dimensioning depending on the design dimensions, such as inner diameter D ₃ of the housing sleeve, outer diameter D ₀ of the coil core and, on the other hand, on the conductivity of the shielding ring . This dimensioning is relatively independent of the conductivity and permeability of the housing sleeve, which is usually made of a steel material.
Insgesamt gesehen erreicht man entsprechend der Erfindung einen verbesserten Schaltabstand oder Schaltpunkt, wobei die Wirbelstromverluste reduziert werden können. Das bedeutet auch, daß der Reduktionsfaktor bei nicht-ferromagnetischen Metallen im Vergleich zu ferromagnetischen Metallen verbessert wird. Diese Verbesserungen werden dabei trotz Beibehaltung einer Stahlgehäuse-Hülse erzielt.Seen overall, one achieves according to the invention an improved switching distance or switching point, the Eddy current losses can be reduced. That means also that the reduction factor for non-ferromagnetic Metals improved compared to ferromagnetic metals becomes. These improvements will still be maintained a steel casing sleeve.
Die Erfindung wird nachstehend anhand schematischer Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below with the aid of schematic drawings explained in more detail. It shows
Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt im Bereich der Stirnfläche eines Sensors unter besonderer Berücksichtigung der Definition der unterschiedlichen Durchmesser, Fig. 1 is a schematic axial section in the region of the end surface of a sensor with special reference to the definition of the different diameters,
Fig. 2 einen Axialschnitt entsprechend der Fig. 1 mit einer bevorzugten Anordnung eines Abschirmringes und Fig. 2 is an axial section corresponding to FIG. 1 with a preferred arrangement of a shielding ring and
Fig. 3 einen Axialschnitt durch einen montierten induktiven Sensor im Bereich seiner Stirnfläche. Fig. 3 shows an axial section through a mounted inductive sensor in the region of its end face.
In Fig. 1 ist ein induktiver Sensor 1 in schematischer Weise in einem Axialschnitt dargestellt, wobei zur Definition der einzelnen Durchmesser D₀ bis D₃ eine radiale Auseinanderziehung vorgenommen worden ist. Andererseits sind auch die Abmessungsrelationen nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. In Fig. 1, an inductive sensor 1 is shown in a schematic manner in an axial section, wherein a radial pull-out has been made to define the individual diameters D ₀ to D ₃. On the other hand, the dimensional relationships are also not shown to scale.
Der induktive Sensor 1 gemäß der Fig. 1 weist eine äußere Gehäusehülse 3 auf, die üblicherweise aus einem Stahl oder einer Stahllegierung besteht. Der innere Durchmesser der Gehäusehülse 3 beträgt D₃. In die stirnseitige Öffnung der Gehäusehülse 3 eingeschoben ist ein Spulenkern 4, der als Ferrit-Halbschalen-Kern ausgebildet ist. Der Spulenkern 4 nimmt eine Spule 5 zwischen seinem Mitteljoch und den Umfangsschenkeln auf.The inductive sensor 1 according to FIG. 1 has an outer housing sleeve 3 , which usually consists of a steel or a steel alloy. The inner diameter of the housing sleeve 3 is D ₃. A coil core 4 , which is designed as a ferrite half-shell core, is inserted into the front opening of the housing sleeve 3 . The coil core 4 receives a coil 5 between its central yoke and the circumferential legs.
Im radialen Abstand zwischen dem äußeren Durchmesser D₀ des Spulenkerns 4 und der inneren Umfangswand der Gehäusehülse 3 ist ein Abschirmring 6 angeordnet. Dieser Abschirmring 6 ist zur Verdeutlichung seines inneren Durchmessers D₁ und seines äußeren Durchmessers D₂ im freien Spalt 8 vorgesehen.A shielding ring 6 is arranged in the radial distance between the outer diameter D ₀ of the coil core 4 and the inner peripheral wall of the housing sleeve 3 . This shielding ring 6 is provided to illustrate its inner diameter D ₁ and its outer diameter D ₂ in the free gap 8 .
Bei induktiven Sensoren gemäß dem Stand der Technik ist dieser Abschirmring aus Kupfer direkt um den Spulenkern 4 angeordnet.In the case of inductive sensors according to the prior art, this copper shielding ring is arranged directly around the coil core 4 .
Der Abschirmring 6 besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die vorzugsweise mit einem Nickelüberzug versehen ist.The shielding ring 6 consists of copper or a copper alloy, which is preferably provided with a nickel coating.
Um eine effektive Abschirmung, insbesondere im Hinblick auf eine Reduzierung der Wirbelstromverluste in der Gehäusehülse 3 zu erreichen, ordnet man den Abschirmring 6 näher zur inneren Umfangswand der Gehäusehülse 3 an. Ein Beispiel, in dem der Abstand D₃-D₂ zu Null geworden ist, ist in Fig. 2 als achssymmetrische Anordnung dargestellt. Durch diese in Fig. 2 gezeigte Anordnung des Abschirmringes 6 direkt an der inneren Umfangswand der Gehäusehülse 3 können die Wirbelstromverluste in der Gehäusehülse sehr stark reduziert und nahezu vernachlässigt werden. Eine Verbesserung in dieser Hinsicht stellt die Abschrägung 7 im stirnseitigen Bereich der Gehäusehülse 3 dar. Aufgrund dieser Verjüngung zur Stirnfläche 2 hin wird ein Übergreifen von magnetischen Feldlinien in diesem Randbereich praktisch verhindert.In order to achieve effective shielding, in particular with a view to reducing eddy current losses in the housing sleeve 3 , the shielding ring 6 is arranged closer to the inner peripheral wall of the housing sleeve 3 . An example in which the distance D ₃- D ₂ has become zero is shown in Fig. 2 as an axisymmetric arrangement. By this arrangement of the shielding ring 6 shown in FIG. 2 directly on the inner peripheral wall of the housing sleeve 3 , the eddy current losses in the housing sleeve can be greatly reduced and almost neglected. An improvement in this regard is the bevel 7 in the front area of the housing sleeve 3. Due to this taper towards the end face 2 , overlapping of magnetic field lines in this edge area is practically prevented.
Da man jedoch nicht nur eine Reduzierung der Wirbelstromverluste bei einem induktiven Sensor erreichen will, sondern auch eine Verbesserung des Schaltabstandes, ist bei einem vorgegebenen Durchmesser D₃ der Gehäusehülse 3 der Abstand D₁-D₀ auf ein Maximum der relativen Gesamtverluste bzw. eine Änderung der Gesamtverluste Δ R V zu R V 0 auszulegen. Hierunter versteht man unter R V 0 die elektrischen Gesamtverluste des Sensors "ohne" einen zu detektierenden Fremdkörper im Raum vor seiner aktiven Stirnfläche. Die Änderung der Gesamtverluste Δ R V ist dabei die Differenz der Gesamtverluste R VM bei einem sich annähernden Fremdkörper, also "mit" Fremdkörper gegenüber den Gesamtverlusten des induktiven Sensors ohne angenähertem Fremdkörper.However, since one wants to achieve not only a reduction in the eddy current losses in an inductive sensor, but also an improvement of the operating distance, at a predetermined diameter D ₃ is the housing sleeve 3, the distance D ₁- D ₀ to a maximum of the relative total loss or a change to interpret the total losses Δ R V to R V 0 . R V 0 means the total electrical losses of the sensor "without" a foreign body to be detected in the space in front of its active end face. The change in the total losses Δ R V is the difference between the total losses R VM in the case of an approaching foreign body, that is to say “with” foreign bodies, compared to the total losses of the inductive sensor without an approximate foreign body.
Im Hinblick auf die Erreichung eines Maximums von Δ R V zu R V 0 ist jedoch die Betriebsfrequenz des induktiven Sensors zu berücksichtigen, die sich alsWith a view to achieving a maximum of Δ R V to R V 0 , however, the operating frequency of the inductive sensor must be taken into account, which turns out to be
ergibt.results.
Eine praktische Ausführung eines induktiven Sensors 20 ist in Fig. 3 im Axialschnitt gezeigt. Übereinstimmende Bezugszeichen entsprechen dabei gleichen Teilen. A practical embodiment of an inductive sensor 20 is shown in axial section in FIG. 3. Corresponding reference numerals correspond to the same parts.
Dieser Sensor 20 weist ebenfalls eine Stahlgehäuse-Hülse 3 auf, die im Stirnbereich eine Kantenabschrägung 7 aufweist. Eingedreht im Bereich der Öffnung der Gehäusehülse 3 ist im stirnseitigen Bereich eine Ringnut 23. In dieser Ringnut ist der Abschirmring 6 aus Cu direkt eingelegt. Die elektrischen Komponenten der Spule umfassen im Beispiel nach Fig. 3 den Spulenkern 4, der aus einem Ferritmaterial bestehen kann, und die Spule 5. Die Spule selbst ist auf einer Schaltungsplatine 24 angeordnet, die in axialer Richtung in die Gehäusehülse hineinragt. Die elektrischen Anschlußleitungen 25 der Schaltungsplatine 24 sind dabei angedeutet.This sensor 20 also has a steel housing sleeve 3 , which has an edge bevel 7 in the end region. An annular groove 23 is screwed into the area of the opening of the housing sleeve 3 in the front area. The shielding ring 6 made of Cu is inserted directly into this annular groove. In the example according to FIG. 3, the electrical components of the coil include the coil core 4 , which can be made of a ferrite material, and the coil 5 . The coil itself is arranged on a circuit board 24 which protrudes axially into the housing sleeve. The electrical connecting lines 25 of the circuit board 24 are indicated.
Die aktive Stirnfläche 21 des Sensors 20 wird im Beispiel nach Fig. 3 durch die stirnseitige Oberfläche eines normalerweise aus einer aus hartem Kunststoffmaterial bestehenden becherartigen Schutzkappe gebildet. Diese Schutzkappe 22 grenzt direkt an die innere Umfangswand der Gehäusehülse 3 und erstreckt sich mit ihren im Schnitt dargestellten Schenkel in das Sensorinnere hinein.In the example according to FIG. 3, the active end face 21 of the sensor 20 is formed by the end face surface of a cup-like protective cap, which is normally made of a hard plastic material. This protective cap 22 borders directly on the inner peripheral wall of the housing sleeve 3 and extends with its legs shown in section into the interior of the sensor.
Die becherförmige Schutzkappe 22 stellt vor allen Dingen einen Verschleißschutz für die Stirnfläche des Ferrit- Spulenkerns 4 dar.The cup-shaped protective cap 22 primarily represents wear protection for the end face of the ferrite coil core 4 .
Im Beispiel nach Fig. 3 ist die axiale Länge des Abschirmringes 6 etwas kleiner als die axiale Erstreckung des Spulenkerns gehalten. Der Spulenkern 4 ist um die axiale Stärke der Schutzkappe 22 gegenüber der eigentlichen Stirnflächen 21 zurückversetzt.In the example according to FIG. 3, the axial length of the shielding ring 6 is kept somewhat smaller than the axial extent of the coil core. The coil core 4 is set back by the axial thickness of the protective cap 22 with respect to the actual end faces 21 .
In dieser Ausführungsform und unter Berücksichtigung der optimalen Betriebsfrequenz f opt sind daher die Wirbelstromverluste stark reduziert und die Empfindlichkeit des induktiven Sensors erheblich verbessert.In this embodiment and taking into account the optimal operating frequency f opt , the eddy current losses are therefore greatly reduced and the sensitivity of the inductive sensor is considerably improved.
Claims (10)
R V 0 die elektrischen Gesamtverluste des Sensors ohne einen zu detektierenden Fremdkörper im Raum vor der aktiven Stirnfläche (2) darstellt und
Δ R V die Differenz der elektrischen Gesamtverluste (R VM) bei angenähertem (mit) Fremdkörper gegenüber R V 0 ist. 1. Inductive sensor, in particular proximity switch with an active end face, the coil core with an outer diameter D ₀ is surrounded by a metallic, ferromagnetic housing sleeve with an inner diameter D ₃ and in the radial gap ( D ₃- D ₀) between the coil core and the Housing sleeve has a shielding ring with in relation to the radial gap ( D ₃- D ₀) small radial thickness and good electrical conductivity made of a paramagnetic material, the shielding ring having an inner diameter D ₁ and an outer diameter D ₂, characterized in that the Shielding ring ( 6 ) has a radial thickness ( D ₂- D ₁) of at least two eddy current skin depths and its arrangement in the radial gap ( D ₃- D ₀) at a predetermined diameter D ₃ of the housing sleeve ( 3 ) is made such that the distance ( D ₁- D ₀) at a minimum distance ( D ₃- D ₂) is set to a maximum of Δ R V / R V 0 , where
R V 0 represents the total electrical losses of the sensor without a foreign body to be detected in the space in front of the active end face ( 2 ) and
Δ R V is the difference between the total electrical losses ( R VM ) with an approximate (with) foreign body compared to R V 0 .
R₀ gleich dem Ohm'schen Widerstand der Spule,
p ein Materialfaktor für den zu detektierenden Gegenstand ist, wobei p = 1/2 für Nicht-Eisenmetalle und 0,7 p 0,8 für ferromagnetische Metalle mit hoher Permeabilität gilt, und
a der Quotient aus dem effektiven Verlustwiderstand R Hyst und F 2 ist, wobei R Hyst aus dem Leistungsverlust durch Hysterese im Ferritkern resultiert.10. A method of operating a sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that a frequency f opt with to achieve a maximum of Δ R / R V 0 is set in which
R ₀ is the ohmic resistance of the coil,
p is a material factor for the object to be detected, p = 1/2 for non-ferrous metals and 0.7 p 0.8 for ferromagnetic metals with high permeability, and
a is the quotient of the effective loss resistance R Hyst and F 2 , where R Hyst results from the loss of power due to hysteresis in the ferrite core.
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| DE19873730113 DE3730113C1 (en) | 1987-09-08 | 1987-09-08 | Inductive sensor |
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| DE3730113C1 true DE3730113C1 (en) | 1989-03-16 |
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