DE3813734C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Näherungsfühler ist in der französischen Patentanmeldung 86 13 359 vom 19. September 1986 beschrieben und besitzt einen Schwingkreis mit einem Kondensator und einer durch ein abzutastendes Objekt beeinflußbaren Spule. Der Schwingkreis ist mit einer Energiequelle über einen statischen Schalter verbunden, der durch Steuerimpulse gesteuert wird, die durch eine Verarbeitungsschaltung erzeugt werden, die insbesondere aus einem Vergleicher und einer logischen Schaltung besteht.

Je nachdem, ob der Schalter in Abhängigkeit vom Zustand der Steuerimpulse geschlossen oder geöffnet ist, lädt sich der Schwingkreis oder entlädt sich. Bei den Entladungs-Schwingungen des Schwingkreises vergleicht ein Vergleicher seine Relaxationsspannung mit einer Schwelle, um Meßimpulse zu erzeugen, die die Nähe eines elektrisch leitenden Objektes wiedergeben, und die auf die logische Schaltung übertragen und von dieser verarbeitet werden.

Dieser Näherungsfühler hat den Vorteil, daß er die Abtastung selbst von sehr nahen Objekten gestattet und gleichzeitig eine direkte Verarbeitung in numerischer Form der analogen Entfernungsinformation gestattet.

Es erscheint jedoch wünschenswert, den Verbrauch eines induktiven Näherungsfühlers der oben beschriebenen Art zu verringern, damit seine Verarbeitungsschaltung als integrierte Schaltung insbesondere in MOS-Technologie ausgeführt werden kann. Ferner wäre es zweckmäßig, wenn man in einem solchen Fühler die Streuung und die Schwankungen der Kenngrößen des Schwingkreises, insbesondere die Induktanzen der Spulen, korrigieren könnte.

Aus der DE 34 40 538 C1 ist ein Näherungsschalter mit einem Schwingkreis bekannt, der über einen als Transistor ausgebildeten Schalter aufgeladen wird, um nach Öffnen des Schalters eine freie gedämpfte Schwingung auszuführen.

Der Schalter wird dabei von einem Pulsgenerator angesteuert, der kurze Nadelimpulse liefert, deren Dauer im Vergleich mit der halben Schwingungsperiode des Schwingkreises klein ist. Ein Nachteil der kurzen Nadelimpulse, die die Erregungszeit für den Schwingkreis festlegen, besteht darin, daß sich Schwankungen in der Länge der Nadelimpulse, also Schwankungen der Erregungszeit für den Schwingkreis relativ stark auf den Scheitelwert der Relaxationsspannung auswirken, wodurch die Abtastentfernung und die Ansprechempfindlichkeit des Näherungsschalters beeinträchtigt wird.

Da man zur Zeit bestrebt ist, Näherungsfühler mit immer kleineren Durchmessern zu schaffen, die eine immer größere Reichweite aufweisen, die also die Anwesenheit bzw. Abwesenheit eines Objektes bereits bei einem größeren Abstand erfassen können, ist es erforderlich, daß die Störungen, die durch Toleranzen der aktiven und passiven elektronischen Schaltungselemente bewirkt werden, sehr viel geringer sind als die, die durch ein Objekt hervorgerufen werden, da die Anwesenheit eines Objektes vor dem Näherungsfühler anhand einer geringen Änderung der Dämpfung des Schwingkreises erfaßt werden muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Näherungsfühler der oben beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Streuung und die Schwankungen der Kenngrößen der einzelnen elektronischen Bauelemente keinen Einfluß auf die Abtastempfindlichkeit des Näherungsfühlers haben.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Näherungsfühler durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also die Schließdauer des Schalters so gesteuert, daß sie im wesentlichen gleich der halben Periode der Schwingkreisfrequenz ist.

Auf diese Weise wird die Dauer des zum Laden des Schwingkreises erforderlichen Energieimpulses verkürzt und optimiert, wobei man gleichzeitig zu Beginn der Relaxation über einen Spannungsscheitelwert verfügt, der etwa das Zweifache des Werts des Impulses beträgt, der zuvor den Schwingkreis aufgeladen hat.

Ein Impuls mit der angegebenen Dauer hat ferner den Vorteil, daß der Scheitelwert der Spannung für kleine Schwankungen wenig empfindlich ist.

Die Abtastentfernung des Näherungsfühlers wird auf diese Weise nicht durch geringe Schwankungen der Erregungsdauer, die mit den benutzten elektronischen Bauelementen zusammenhängen, beeinträchtigt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verarbeitungsschaltung Einrichtungen zum Abtasten des Durchgangs der Relaxationsspannung V des Schwingkreises durch einen dem Öffnen des Schalters zugeordneten Spannungswert V′ und logische Einrichtungen besitzt, die durch die Abtasteinrichtung gesteuert sind und den Impuls zur Steuerung der Schließung des Schalters beim ersten Durchgang der Relaxationsspannung V durch den Spannungswert V′ beendet.

Hierdurch wird die Dauer des Energieimpulses, der den Schwingkreis auflädt, auf zweckmäßige Weise automatisch und einfach durch die Verarbeitungsschaltung in Abhängigkeit von den Kenngrößen des Schwingkreises eingestellt.

Ferner ist es zweckmäßig, daß der Schwingkreis an ein Potential V1 angelegt ist, das zwischen einem oberen Potential V_DD und dem unteren 0-Volt-Potential der Energiequelle liegt, wobei der Schwingkreis 10 mindestens bei seiner Endladung an das Potential V1 angelegt ist, das im wesentlichen gleich dem halben oberen Potential V_DD ist. Auf diese Weise bleibt die Endladeschwingung des Kreises ständig positiv und kleiner als V_DD, wobei sie gleichzeitig im Rahmen der Speisespannung die größtmögliche Amplitude hat.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. In dieser Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines induktiven Näherungsfühlers,

Fig. 2 eine Abwandlung des Schwingkreises des Näherungsfühlers,

Fig. 3 eine Darstellung der aufeinanderfolgenden Lade- und Entladezyklen des Schwingkreises des Fühlers,

Fig. 4 eine Darstellung der Impulse zur Auslösung der Zyklen,

Fig. 5 bis 7 Diagramme, die für einen Lade- und Entladezyklus des Schwingkreises die Relaxationsspannung des Schwingkreises, das Ausgangssignal des Vergleichers bzw. den durch die Verarbeitungsschaltung erzeugten Steuerimpuls zeigen, und

Fig. 8 eine Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung.

Der in Fig. 1 gezeigte induktive Näherungsfühler besitzt einen Schwingkreis 10 mit einer Induktanzspule L, die zu einem Kondensator C parallel geschaltet ist. Ein Widerstand R, der die Verluste des Schwingkreises 10 darstellt, liegt mit der Spule L in Reihe. Die Induktanz der Spule L ist durch die Näherung von elektrisch leitenden Objekten beeinflußbar.

Der Schwingkreis 10 ist auf der einen Seite über einen Reihenschalter 11 mit einer konstanten Stromquelle 12 verbunden, die mit einer Gleichspannung V_DD gespeist wird. Auf der anderen Seite ist der Schwingkreis an eine Spannung V1 angelegt, die im wesentlichen gleich V_DD/2 ist. Gemäß einer Abwandlung kann die Spannung V1 bei der Ladung des Schwingkreises auch Null oder etwas größer als Null und bei der Entladung des Schwingkreises 10 im wesentlichen gleich V_DD/2 sein.

Der Näherungsfühler besitzt ferner eine Verarbeitungsschaltung mit einer logischen Schaltung 13 und einem Vergleicher 14. Ein heißer Punkt 20 des Schwingkreises 10 ist einerseits mit einem Eingang 13a der logischen Schaltung 13 und andererseits mit einem Signaleingang 14a des analogen Vergleichers 14 verbunden. An diese Eingänge 13a, 14a wird also die Ladespannung bzw. die Entladespannung des Schwingkreises 10 bei geschlossenem bzw. geöffnetem Schalter 11 angelegt. Die verschiedenen Bauelemente des Näherungsfühlers sind zweckmäßigerweise in Form einer integrierten Schaltung ausgeführt.

An den Schwelleneingang 14b des Vergleichers 14 ist eine Spannung V_REF angelegt, während der Ausgang 14c des Vergleichers 14 mit einem zweiten Eingang 13b der logischen Schaltung 13 verbunden ist (Signal S1). Ein Ausgang 13c der Schaltung 13 ist mit einer Steuerelektrode des Schalters 11 verbunden (Signal S2), während ein anderer Ausgang 13d der Schaltung 13 an ein Auswertungsorgan mit numerischem Eingang angeschlossen sein kann (Signal S3).

Bei der in Fig. 2 gezeigten Abwandlung ist der Schwingkreis ein Reihenresonanzkreis, der durch einen Umschalter 21 mit einer konstanten Spannungsquelle 22 verbunden ist. Ein Stromgeber 23 ist mit dem Mittelpunkt des Schwingkreises verbunden und ist an die Eingänge 13a, 14a der logischen Schaltung 13 und des Vergleichers 14 angeschlossen.

Der Verlauf der Lade- und Entladezyklen des Schwingkreises 10 ist in Fig. 3 gezeigt. Das niedrige Potential V1 des Schwingkreises ist gleich V_DD/2 gewählt, um die Schwingungen der Relaxationsspannung V zu optimieren, ohne daß diese negativ wird, wobei sie im Bereich des Speisepotentials bleibt. Die Schwelle V_REF ist um einen entsprechend gewählten Wert E_REF größer als V_DD/2 (Fig. 5).

Geht man davon aus, daß die Schließung des Unterbrechers 11 zum Zeitpunkt t_o durch die logische Schaltung 13 bewirkt wird, so lädt die Stromquelle 12 den Schwingkreis 10 gemäß der dargestellten Halbperiode auf. Die Spannung an den Anschlüssen des Schwingkreises 10 kehrt zum Zeitpunkt t_o+T_o/2 zum Wert V_DD/2 zurück, und die Verarbeitungsschaltung erfaßt nun diesen ersten Durchgang.

Die Schwingungsfrequenz F_o=1/T_o des Kreises 10 beträgt beispielsweise etwa 50 kHz bis 2 MHz, und die Folgefrequenz F=1/T der Lade- und Entladezyklen ist etwa 20- bis 200mal kleiner als F_o, und zwar je nach der Schnelligkeit und dem Verbrauch, die von dem Näherungsfühler verlangt sind. Die Frequenz F wird durch einen Oszillator bestimmt. Gemäß einer Abwandlung kann sie auch bei jedem Zyklusende regeneriert werden.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform besitzt die logische Schaltung 13 einen Detektor 15, der den Durchgang der Spannung V durch den Spannungswert V′, der in diesem Fall gleich V_DD/2 ist, erfaßt, und einen Zähler 16, der die Meßimpulse S1 aufnimmt. Die Ausgänge des Detektors 15 und gegebenenfalls des Zählers 16 sind mit einer logischen Schaltung 17 verbunden, die an ihrem Ausgang die Steuerimpulse S2 liefert. Der Zähler 16 ist ferner mit einem Freigabekreis 18 verbunden, der das Signal S3 abgibt.

Im nachstehenden wird die Arbeitsweise des Näherungsfühlers anhand der Fig. 5 bis 7 beschrieben, die einen Lade- und Entladezyklus des Schwingkreises 10 zeigen. Der Anschaulichkeit halber wurde nur eine geringe Anzahl Schwingungen dargestellt.

Vor dem Zeitpunkt t_o ist der Schalter 11 offen. Zum Zeitpunkt t_o′ wird das Signal S0 erzeugt und der Impuls S2 geht in seinen oberen Zustand über (Fig. 7), so daß sich der Schalter 11 schließt. Die konstante Stromquelle 12 lädt den Schwingkreis 10 gemäß einer Welle 01, die um den Wert V_DD/2 zu schwingen beginnt.

Bei dem ersten Durchgang dieser Schwingung 01 durch den Wert V_DD/2, d. h. zum Zeitpunkt t_o+T_o/2, bewirkt der Ausgang des Detektors 15 eine Zustandsänderung des Signals S2 der logischen Schaltung 17. Dadurch kehrt das Steuersignal S2 in seinen unteren Zustand zurück (Fig. 7). Der Schalter 11 wird somit zum Zeitpunkt t_o+T_o/2 geöffnet, so daß der Schwingkreis 10 beginnen kann, sich unter optimalen Amplitudenbedingungen zu entladen.

Die Relaxationsspannung V des Schwingkreises 10 schwingt nun gemäß der Kurve 02 (Fig. 5), deren erste Halbperiode mit einer Neigung und einem Scheitelwert beginnt, die doppelt so groß wie die der Halbperiode 01 sind. Jedesmal, wenn 02 den Wert V_DD/2+E_REF passiert, liefert der Vergleicher 14 einen Rechteckimpuls S1 (Fig. 6). Die Breite der Impulse S1 nimmt ab und ihre Fronten werden von dem Zähler 16 gezählt. Der Ausgang des Zählers 16 wird durch den Freigabekreis 18 beispielsweise nach zwei oder drei gleichen Messungen freigegeben, so daß das Ausgangssignal S3 des Näherungsfühlers abgegeben wird. Andererseits kann der Ausgang des Zählers 16 zur Erzeugung des Signals S0 dienen.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Verarbeitungsschaltung kann an die Stelle der Schwelle V_REF des Vergleichers 14 während der Aufladung des Schwingkreises der Wert Null treten, und zwar mit Hilfe eines geeigneten, durch das Signal S2 gesteuerten Umschalters. Der Vergleicher liefert hierbei zum Zeitpunkt t_o+T_o/2 den Befehl zur Beendigung des Signals S2 und übernimmt somit die Funktion des Detektors 15 von Fig. 8.

Claims (7)

1. Induktiver Näherungsfühler
mit einem Schwingkreis (10), der einen Kondensator (C) und eine durch ein abzutastendes Objekt beeinflußbare Spule (L) besitzt,
mit einer Energiequelle (12, 22), die mit dem Schwingkreis (10) durch einen Schalter (11) verbindbar ist, und
mit einer Verarbeitungsschaltung, die einen Vergleicher (14) und eine logische Schaltung (13) besitzt, die einerseits Steuerimpulse (S2) mit einem kleinen Zyklusverhältnis zur Steuerung der Schließ- und Öffnungszyklen des Schalters (11) und andererseits ein Ausgangssignal (S3) in Abhängigkeit von vom Vergleicher (14) gelieferten Meßimpulsen (S1) liefert, wobei der Vergleicher die Relaxationsspannung (V) des Schwingkreises (10) mit einer vorbestimmten Schwelle vergleicht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (T1) der Schließung des Schalters (11) im wesentlichen gleich der halben Periodendauer (T_o/2) der Schwingkreisfrequenz ist.

2. Näherungsfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung Einrichtungen (15) zum Abtasten des Durchgangs der Relaxationsspannung (V) des Schwingkreises (10) durch einen dem Öffnen des Schalters (11) zugeordneten Spannungswert (V′) und logische Einrichtungen (17) besitzt, die durch die Abtasteinrichtung (15) gesteuert sind und den Impuls (S2) zur Steuerung der Schließung des Schalters (11) beim ersten Durchgang der Relaxationsspannung (V) durch den Spannungswert (V′) beenden.

3. Näherungsfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Öffnen des Schalters (11) zugeordnete Spannungswert (V′) im wesentlichen gleich dem Wert der Spannung (V1) ist, an die der Schwingkreis (10) angelegt ist.

4. Näherungsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (10) an ein Potential (V1) angelegt ist, das zwischen einem oberen Potential (V_DD) und dem unteren 0-Volt-Potential der Energiequelle liegt.

5. Näherungsfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (10) mindestens bei seiner Entladung an das Potential (V1) angelegt ist, das im wesentlichen gleich dem halben oberen Potential (V_DD) ist.

6. Näherungsfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (10) ein Parallelresonanzkreis ist und die mit ihm verbundene Energiequelle eine Konstantstromquelle (12) aufweist.

7. Näherungsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkreis (10) ein Reihenresonanzkreis ist und die Energiequelle eine mit dem Schwingkreis (10) über einen Umschalter (21) verbundene konstante Spannungsquelle (22) aufweist.