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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Näherungsschalter,
welche einen Gegenstand in Nähe durch eine Änderung der
Amplitude eines Schwingungsausgangssignals eines Schwingkreises einer
Schwingungsschaltung nachweisen.
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Bei einem typischen herkömmlichen Näherungsschalter mit
einem Schwingkreis, dessen Eigenschaften durch ein
nachzuweisendes Objekt beeinflußt werden, ist ein Parallelschwingkreis 1 aus
einer Nachweisspule L&sub1; und einem Kondensator C&sub1;, beispielsweise
wie in Fig. 4 gezeigt, aufgebaut, und an diesen
Parallelschwingkreis 1 ist eine Schwingungsschaltung 2 angeschlossen, so
daß ein Hochfrequenzsignal erzeugt wird, welches durch eine
Nachweisschaltung 3 nachgewiesen wird. Wenn ein Metallgegenstand
4 nahe an die Nachweisspule L&sub1; herangebracht wird, erhöht sich
der Verlust in der Nachweisspule L&sub1; und der Zustand der
Schwingung ändert sich, mit dem Ergebnis, daß die Amplitude ihres
Ausgangssignals abnimmt. Das Ausgangssignal der
Nachweisschaltung 3 wird dann einer Vergleichsschaltung 5 zur Diskriminierung
desselben gegenüber einem bestimmten Niveau zugeführt und ein
Gegenstandsnachweissignal gewonnen, das von einer
Ausgangsschaltung 6 einer externen Schaltung zugeführt werden kann. Ein in
der Nähe befindlicher Gegenstand kann also über die Feststellung
der Abnahme der Amplitude des Ausgangssignals der
Schwingungsschaltung 2 nachgewiesen werden.
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Bei einem herkömmlichen Hochfrequenz-Näherungsschalter
wurde, um den Verlust der Nachweisspule L&sub1; als Folge der
Gegenwart eines sich annähernden Gegenstands in Relation zum
Eigenverlust der Spule zu bringen, die Schwingungsfrequenz so
gewählt, daß die Konduktanz der Nachweisspule L&sub1; selbst minimiert
wird. Wenn der Gütefaktor der Nachweisspule L&sub1; Q, ihre
Induktivität L, die Resonanzfrequenz f und der Wert des
Parallelkondensators C ist, drückt sich die Konduktanz g&sub0; der Nachweisspule L&sub1;
durch die unten stehende Gleichung (1) aus:
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g&sub0; = 2πfC/Q . . . (1)
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f = 1/(2π LC).
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In einem Metallkörper wird, wenn dieser nahe an die
Nachweisspule eines Hochfrequenz-Näherungsschalters herangebracht wird,
ein gewisser Wirbelstrom erzeugt. Daher fällt gleichzeitig die
Reaktanz der Nachweisspule L&sub1; ab, und die Schwingungsfrequenz
steigt an, wodurch der Gütefaktor Q der Nachweisspule L&sub1;
vermindert wird. Infolgedessen nimmt die Konduktanz der Nachweisspule
L&sub1; zu. Die Konduktanz gr der Nachweisspule L&sub1; am Resonanzpunkt
drückt sich, wenn ihre Änderung durch Δg ausgedrückt wird, durch
die folgende Gleichung (2) aus.
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gr = g&sub0;+Δg . . . (2).
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Zum Nachweisen eines Gegenstands mit hoher Empfindlichkeit muß
die Änderung der Konduktanz Δg/g&sub0; erhöht werden, wobei es zu
diesem Zweck wünschenswert ist, daß die ursprüngliche Konduktanz
g&sub0; der Nachweisspule minimiert ist. Der Gütefaktor Q der
Nachweisspule L&sub1; wird durch das Verhältnis der Reaktanz ωL an der
gegebenen Frequenz zum Innenwiderstand r der Nachweisspule L&sub1;
(ωL/r) ausgedrückt. Mit zunehmender Frequenz erhöht sich daher
der Gütefaktor Q, erreicht aber in Wirklichkeit infolge der
verteilten Kapazität zwischen den Wicklungsdrähten und des Skin-
Effekts einen Scheitelwert an einer bestimmten Frequenz, die für
die Nachweisspule charakteristisch ist, wie dies im Graphen der
Fig. 5, der über der Frequenz aufgetragen ist, gezeigt ist. In
der Praxis wird eine Frequenz in der Nähe der Scheitelfrequenz
als Resonanzfrequenz ausgewählt. Infolgedessen reichten die
Resonanzfrequenzen herkömmlicher Näherungsschalter, die einen
Resonanzkreis für Hochfrequenzschwingungen verwenden, von
mehreren Hundert kHz bis 1 MHz.
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Bei einem solchen herkömmlichen
Hochfrequenz-Näherungsschalter
wurde jedoch die Konfiguration der nachzuweisenden
Metallgegenstände bei der Auswahl der Schwingungsfrequenz nicht
berücksichtigt. Daher zeigte der Näherungsschalter die gleiche
Empfindlichkeit unabhängig davon, ob die Metallgegenstände
Metallspäne bzw. -schnitzel, wie Stahlspäne und Aluminiumspäne,
oder Metallplatten, wie Stahlplatten und Aluminiumplatten,
waren. Infolgedessen können, wenn ein solcher
Hochfrequenz-Näherungsschalter in Verbindung mit einer Werkzeugmaschine in einer
Fertigungsanlage verwendet wird, Probleme entstehen, weil der
Näherungsschalter nicht nur Gegenstände, wie Stahlplatten und
Aluminiumplatten, die nachgewiesen werden sollen, nachweist,
sondern auch Metallspäne, die sich, entstanden durch das
Arbeiten der Werkzeugmaschine, auf der Nachweisfläche des
Hochfrequenz-Näherungsschalters ansammeln und nicht nachgewiesen werden
sollen. Insbesondere wegen der Verwendung von Schneidöl beim
Spanen von Metallgegenständen haben Metallspäne die Neigung,
sich auf der Nachweisfläche des Näherungsschalters aufzubauen,
was die Möglichkeit des Auftretens von Fehlfunktionen des
Näherungsschalters erhöht.
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Aus VALVO, Schaltungssammlung, Heft 1, Ausgabe 1970 ist ein
induktiver Näherungsschalter bekannt, welcher bei einer Frequenz
von 17,5 kHz arbeitet. Keine spezielle Anwendung dieses
Schalters ist angegeben.
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DE-A-28 28 880 veranschaulicht die Verwendung eines
Näherungsschalters, der es ermöglicht, zwischen einem sich
annäherenden Ferritkern einerseits und beliebigen Metallstücken oder
Metallspänen andererseits zu unterscheiden.
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Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 definiert.
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Der Bereich der Resonanzfrequenz zwischen 3 und 15 kHz ist
bevorzugt, wenn das Material des nachzuweisenden Gegenstands ein
Stahlmaterial ist, ein Bereich von 3 bis 8 kHz, wie in Anspruch
2 definiert, wenn es sich um Aluminiummaterial handelt.
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Die Erfindung ist höchst vorteilhaft in einer Umgebung, wo
eine Werkzeugmaschine verwendet wird und die Gefahr besteht, daß
sich Metallspäne angrenzend an den Näherungsschalter ansammeln.
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Eine Anhäufung von Metallspänen, die durch das Arbeiten einer
Werkzeugmaschine erzeugt werden, wird als aus einer großen
Anzahl von kleinen elektrisch leitenden Teilchen bestehend
betrachtet, die miteinander mit einem bestimmten elektrischen
spezifischen Widerstand verbunden sind, während eine
nachzuweisende Stahl- oder Aluminiumplatte als aus einem einstückigem
Körper bestehend betrachtet wird, der im Verhältnis einen sehr
kleinen spezifischen elektrischen Widerstand involviert. Wenn
die Schwingungsfrequenz hoch ist, ist daher die
elektromotorische Kraft bzw. die induzierte Spannung des Wirbelstroms hoch,
weshalb im wesentlichen große Wirbelströme in einer Metallplatte
oder in Metallspänen erzeugt werden. Mit abnehmender Frequenz
wird die elektromotorische Kraft des Wirbelstroms kleiner, und
im wesentlichen hoher Wirbelstrom wird in der Metallplatte, im
wesentlichen kleiner Wirbelstrom aber in den Metallspänen
erzeugt. Daher ist es möglich, Metallspäne von einer Metallplatte
beim Feststellen eines in Nähe befindlichen Gegenstands zu
unterscheiden, indem die Schwingungsfrequenz abgesenkt und die
Größe des Wirbelstroms ausgewertet wird, der durch das
Vorhandensein des Gegenstands in Nähe zur Nachweisspule erzeugt wird.
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Fig. 2 zeigt die Änderung der normierten Impedanz der
Nachweisspule, wenn eine nicht-magnetische Metallplatte nahe an
die Nachweisspule herangebracht wird. In diesem Graphen
entspricht der obere linke Punkt einem Zustand, in dem kein
metallischer Gegenstand in Nähe zur Nachweis Spule vorhanden ist und
deshalb weder die Änderung der Reaktanz- noch der
Resistanzkomponente infolge Wirbelstrom erzeugt wird. In diesem Graphen
ändert sich, wenn ein Metallgegenstand näher an die
Nachweisspule herangebracht wird, der normierte Abstand L&sub1;/r&sub1;, der als
Verhältnis des Abstandes zum Objekt l&sub1; (unendlich bis null) zum
Radius r&sub1; der Spule L&sub1; definiert ist, von unendlich nach null.
Die Kurven im Graphen bezeichnen die Änderungen der Reaktanz und
der Resistanz oder, mit anderen Worten, den Verlust in der Spule
über diesem normierten Abstand. In diesem Graphen wird die
Eigenimpedanz der Spule als Z&sub0; = R&sub0; + jωL&sub0; gesetzt, während die
Impedanz
der Spule, wenn ein Metallgegenstand nahe an die
Nachweisspule herangebracht wird, als Z = R&sub0; + ΔR + jωL gesetzt wird, und
die vertikale Achse entspricht ωL/ωL&sub0; während die horizontale
Achse ΔR/ωL&sub0; entspricht. Die im Graphen angegebenen Zahlen (1,
10, 100 und 1000) sind die Werte der normierten Frequenz F an
den entsprechenden Punkten, die auf der unten angegebenen
Gleichung (3) beruhen.
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F = 2πfuσr² . . . (3)
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wobei
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f: Frequenz des auf die Spule gegebenen Signals
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u: Permeabilität des Metallgegenstands
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σ: elektrische Leitfähigkeit des Metallgegenstandes
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r: Radius der Spule.
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Dieser Graph gilt für nicht-magnetische Materialien. Wenn die
Werte für die Permeabilität von 1,257·10&supmin;&sup6; (H/m) und elektrische
Leitfähigkeit von 3,64·10&sup7; (1/ohm·m) für Aluminium und ein
Spulenradius von 7,5·10&supmin;³ (m) in die Gleichung eingesetzt werden,
gilt die folgende Beziehung zwischen der tatsächlichen Frequenz
und der normierten Frequenz.
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f = 61,84·F (Hz).
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Die Werte in den Klammern in Fig. 2 geben die nach dieser
Formel berechneten tatsächlichen Werte an.
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Wie oben beschrieben, reichen bei herkömmlichen
Hochfrequenz-Näherungsschaltern ihre normierten Frequenzen in einen
hohen Bereich, wie den durch A in Fig. 2 angegebenen Bereich,
da sie Frequenzen benutzten, die mehr als mehrere Hundert kHz
betrugen. In diesem Bereich ist für gewöhnlich der Verlust groß,
auch wenn die elektrische Leitfähigkeit des Metallgegenstands
klein ist, weshalb kleine Metallteile leicht nachgewiesen
werden. Wenn andererseits die normierte Frequenz niederig ist, wie
durch den Bereich B in Fig. 2 dargestellt, ist gewöhnlich der
Verlust klein, wenn die elektrische Leitfähigkeit des
Metallgegenstands klein ist, weshalb kleine Metallteile nicht leicht
nachgewiesen werden. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem
Vorschlag, eine niedrigen Frequenzbereich zu verwenden, in
welchem die Resistanzänderung oder, mit anderen Worten, der Verlust
in der Spule bei Nachweis von verhältnismäßig großen
Metallgegenständen groß und die Änderung der Resistanz, oder, mit
anderen Worten der Verlust in der Spule bei Nachweis von
verhältnismäßig kleinen Metallteilen klein ist. Wenn die Frequenz
niedriger als der Bereich B ist, wird selbst der Nachweis einer
Metallplatte unmöglich.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die
Schwingungsfrequenz des Hochfrequenz-Näherungsschalters auf den Bereich von 3
bis 15 kHz beschränkt, der wesentlich niedriger als diejenigen
herkömmlicher Hochfrequenz-Näherungsschalter ist. Planare
Gegenstände können daher aus der Erzeugung von Wirbelstrom und der
sich ergebenden Änderung der Resistanz der Spule nachgewiesen
werden, kleine Metallteile werden aber keinen nennenswerten
Betrag an Wirbelstrom erzeugen und daher sehr geringe Änderungen
der Resistanz der Spule bewirken.
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Der Hochfrequenz-Näherungsschalter, wie er gemäß der
Erfindung verwendet wird, ist daher auf planare Metallgegenstände aus
Aluminium, Stahl oder dergleichen empfindlich und kann diese
nachweisen, weist aber kleine Metallteile nicht nach, die durch
das Spanen solcher Metallgegenstände erzeugt werden. Wenn daher
dieser Hochfrequenz-Näherungsschalter mit einer Werkzeugmaschine
verwendet wird, wird der Näherungsschalter durch die
Metallspäne, die als Folge des Arbeitens der Werkzeugmaschine erzeugt
werden, nicht beeinflußt werden und kann die Zuverlässigkeit des
Steuersystems, welche den Näherungsschalter verwendet, drastisch
verbessern.
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Auf diesen ist
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Fig. 1 ein Schaltbild, welches den Aufbau einer
Ausführungsform eines Hochfrequenz-Näherungsschalters zeigt, wie er
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
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Fig. 2 ein Graph, welche die Frequenzkurven des
Wirbelstrom-Magnetflusses zeigt, der in einem nachzuweisenden
Gegenstand erzeugt wird,
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Fig. 3 ein Graph, welcher Änderungen des nachweisbaren
Bereichs in Beziehung zur Frequenz der Nachweisspule gemäß der
vorliegenden Erfindung in Bezug auf den anhand der Konduktanz
von Aluminiumspänen, die gegen die Nachweisfläche gedrückt
werden, ausgewählten Schwellenwert (C1 und C2) und den anhand der
Konduktanz von Aluminiumspänen, die einfach mit der
Nachweisfläche in Berührung gebracht sind, ausgewählten Schwellenwert
(C1 und C2) zeigen,
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Fig. 4 ein Blockschaltbild, welches einen herkömmlichen
Hochfrequenz-Näherungsschalter zeigt, und
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Fig. 5 ein Graph, welcher die Änderungen des Gütefaktors
(Q) der Spule in Beziehung zur Frequenz zeigt.
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Fig. 1 ist ein Schaltbild, welches den Schaltungsaufbau
eines
Wechselspannungs-Zweileiter-Hochfrequenz-Näherungsschalters zeigt, wie er gemäß der Erfindung verwendet wird. In diesem
Schaltbild ist eine Diodenbrücke DB zur Vollweggleichrichtung
mit Eingängen 11 und 12 verbunden. Das positive Ende der
Diodenbrücke DB ist mit einer Schaltungs-Schaltung 13 verbunden,
welche einen Thyristor SCR und eine Zener-Diode ZD1 aufweist. Die
Zener-Diode ZD1 liefert eine konstante Spannung an verschiedene
Teile der Schaltung, wenn der Thyristor SCR in einem leitenden
Zustand ist. Ein Leuchtdiode D1 ist zur Anzeige des aktiven
Zustandes der Schaltung zur Zener-Diode ZD1 parallel geschaltet.
Die Zener-Diode ZD1 ist ferner über eine Diode D2 mit einer
Konstantspannungsschaltung 14 verbunden, welche eine Zener-Diode
ZD2 und einen Glättungskondensator C2 aufweist. Der
Näherungsschalter ist mit einer Hartley-Schwingungsschaltung 15 versehen,
welche einen Parallelschwingkreis aufweist, der aus einer
Nachweisspule L&sub2; und einem Kondensator C&sub3; besteht. Das heiße Ende der
Spule L&sub2; der Schwingungsschaltung 15 ist mit der Basis eines
Transistors Tr1 über einen Transistor Tr2 verbunden, welcher als
Diode verschaltet ist, und der Emitter dieses Transistors Tr1
ist mit einem Zwischenabgriff der Spule L&sub2; über einen Widerstand
R1, eine Parallelschaltung aus einem Thermistor R2 zur
Temperaturkompensation der Schwingungsspule L&sub2; und einem Widerstand R3,
und einen Widerstand R4 verbunden. Der Transistor Tr2
temperaturkompensiert die Basis-Ermitter-Spannung des Transistors Tr1,
und sein Schwingungsausgangssignal wird einer Integrierschaltung
16 für seinen Emitter zugeführt. Der Kollektor eines Transistors
Tr3 in der Integrierschaltung 16 ist mit Spannung verbunden,
während der Emitter mit einem Glättungskondensator C&sub4; verbunden
ist, und ihr Integrationsausgangssignal wird einer
Vergleichsschaltung 17 zugeführt. Die Vergleichsschaltung 17 umfaßt ein
Paar von Widerständen R5 und R6, welche die Emitterspannung des
Transistors Tr3 teilen, und einen Transistor Tr4, der durch den
Knoten zwischen den Widerständen gesteuert wird, zur
Diskriminierung der Schwingungsamplitude gemäß dem Ausgangssignal der
Integrierschaltung 16. Ihr Ausgangssignal wird vom Kollektor des
Transistors Tr4 über einen Widerstand R7 dem Gate des Tyristors
SCR zugeführt.
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Wie weiter oben beschrieben, wird für diese Ausführungsform
eine niedrige Schwingungsfrequenz ausgewählt. Es sei angenommen,
daß die Nachweisspule aus 800 Wicklungen eines Drahtes mit 0,06
mm Durchmesser (Spule L2a) besteht und der Wert des dazu parallel
geschalteten Kondensators C&sub3; 0,02 uF ist. Wenn die Induktivität
der Nachweisspule L2a 2,5·10&supmin;² (H) beträgt, ergibt sich eine
Schwingungsfrequenz der Schwingungsschaltung 15 von 10 kHz. Wenn
die Nachweisspule aus 600 Wicklungen eines Drahtes besteht, der
einen Durchmesser von 0,14 mm hat (Spule L2w), und die
Induktivität der Nachweisspule L2b 3,38·10&supmin;² (H) beträgt, während der Wert
des dazu parallel geschalteten Kondensators C&sub3; 0,03 uF beträgt,
ergibt sich eine Schwingungsfrequenz der Schwingungsschaltung 15
von 5 kHz. Es wird also ein Frequenzbereich verwendet, der
wesentlich niedriger ist als diejenigen herkömmlicher
Hochfrequenz-Näherungsschalter.
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Die im folgenden wiedergegebenen Tabellen 1 und 2 zeigen
die Änderungen der Konduktanz gr der Nachweisspule L&sub2; in
Beziehung zum Abstand des Gegenstands, der aus einer Stahlplatte und
einer Aluminiumplatte besteht, wenn die Schwingungsfrequenz
zwischen 100 Hz und 500 kHz variiert wird. Tabelle 3 zeigt
Änderungen der Konduktanz gr der Nachweisspule L&sub2; wenn der Abstand
der nachzuweisenden Gegenstände, die in diesem Fall aus
Aluminiumschneidspänen, wie sie sind, und Aluminiumschneidspänen, die
durch eine Last von 5 kg komprimiert sind, bestehen, mit einem
Inkrement von 1 mm verändert wird. Die Einheit der Konduktanz
ist in diesen Tabellen in Siemens (S) gegeben.
Tabelle 1
Abst. unendl. Einheit
Abst. unendl. Einheit
Tabelle 2
Abst. unendl. Einheit
Abst. unendl. Einheit
Tabelle 3
Abst. Einheit
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Um einen Metallkörper ohne Nachweis von Schneidspänen
nachzuweisen, muß die Konduktanz der Nachweisspule, wenn der
nachzuweisende Metallgegenstand nahe an die Nachweisspule
herangebracht ist, größer als diejenige der Nachweisspule sein, wenn
Schneidspäne gegen die Nachweisfläche gedrückt werden. Da die
Konduktanz der Nachweisspule sich mit dem Abstand des
nachzuweisenden Gegenstands ändert, ist es möglich, einen Bereich, der
die oben erwähnten Bedingungen erfüllt, als nachweisbaren
Bereich auszudrücken, indem die Frequenz auf der horizontalen
Achse und der Abstand zum nachzuweisenden Gegenstand auf der
vertikalen Achse genommen wird.
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Fig. 3 ist ein solcher Graph, welcher einen nachweisbaren
Bereich in Beziehung zur Frequenz zeigt. Die Kurve C1 bezeichnet
einen Bereich, in welchem eine Stahlplatte eine größere
Konduktanzänderung als Aluminiumspäne erzeugt, die mit einem Druck von
5 kg zusammengedrückt sind, und Kurve C2 einen nachweisbaren
Bereich für eine Aluminiumplatte unter identischen Umständen.
Kurven D1 und D2 bezeichnen Bereiche, in welchen der Nachweis
einer Stahlplatte bzw. einer Aluminiumplatte möglich ist, weil
diese größere Konduktanzänderungen erzeugen als Aluminiumspäne
in einem Abstand null (oder, mit anderen Worten, wenn diese auf
einer Nachweisfläche angesammelt sind). Die Kurve C1 zeigt, daß
es einen Bereich gibt, in welchem der Nachweis nicht möglich
ist, wenn die Frequenz unter 2 kHz liegt, weil die Induktanz der
Nachweisspule zunimmt und der Verlust in der Spule zunimmt, wenn
eine Stahlplatte näher an die Nachweisspule herangebracht wird.
Es ist daher erforderlich, die Schwingungsfrequenz der
Schwingungsschaltung höher als 3 kHz auszuwählen. Die Obergrenze der
Frequenz muß indessen zum Nachweis einer Aluminiumplatte
niedriger als 100 kHz sein. Ferner muß ein praktisch verwendbarer
Näherungsschalter in der Lage sein, eine Stahlplatte
nachzuweisen, die in einem bestimmten Abstand von beispielsweise 8 mm
oder mehr angeordnet ist, weshalb die Frequenz niedriger als 30
kHz in der Kurve D&sub1; sein muß. Ein bevorzugter Bereich der
Schwingungsschaltung
eines Näherungsschalters ist daher von 3 kHz bis
30 kHz und, wenn ein ausreichend großer Nachweisbereich für eine
Stahlplatte erforderlich ist, sollte der bevorzugte Bereich 3
kHz bis 15 kHz sein. Um ferner einen Fehlnachweis einer
Stahlplatte infolge einer Anhäufung von Aluminiumspänen auf der
Nachweisfläche zu vermeiden, ist der bevorzugte Frequenzbereich 3
bis 8 kHz.
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Wenn der Frequenzbereich in dieser Weise ausgewählt wird,
kann eine Aluminiumplatte oder Stahlplatte in einem bestimmten
Abstand nachgewiesen werden, ohne daß dabei Aluminiumspäne usw.
in Nähe nachgewiesen werden. Der Näherungsschalter gemäß der
Erfindung kann daher als Näherungsschalter mit selektiver
Nachweisfähigkeit verwendet werden, der einen Gegenstand in Nähe
abhängig von seiner Form nachweist.
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Die hier angegebenen Konstanten der Spule sind nur ein
Beispiel, und die Anzahl der Wicklungen und die Induktivität der
Nachweisspule sollten so ausgewählt werden, daß man die oben
beschriebenen Bereiche für die Frequenz und Induktivität erhält.
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Die vorliegende Ausführungsform gehört zu einem
Näherungsschalter, welcher eine normale Hartley-Schwingungsschaltung
verwendet, aber es liegt auf der Hand, daß sich ähnliche
Ergebnisse erzielen lassen, wenn Schwingungsschaltungen anderer Arten
verwendet werden.