DE3912946A1 - Induktiver naeherungsschalter - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungs
schalter gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solcher durch die DE-PS 37 14 433 bekannter
Näherungsschalter hat die besondere Eigenschaft, bei
der Annäherung von elektrisch leitfähigen, unmagneti
schen Nichteisenmetallen (NF) und von ferromagneti
schen Metallen (FE) den gleichen Schaltabstand aufzu
weisen.
Bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen Teilen
an eine Spule verringert sich die wirksame Induktivi
tät, weil aufgrund der durch die magnetische Induktion
sich im leitfähigen Teil ausbildenden elektrischen
Ströme eine Gegeninduktivität aufgebaut wird. Weiter
wird bei der Annäherung von elektrisch leitfähigen
Teilen die Spulengüte wegen der ohmschen Verluste im
leitfähigen Teil herabgesetzt. Diese Eigenschaften
werden in vielfältiger Weise bei Näherungsschaltern
benutzt, indem die Verminderung der Amplitude oder das
Aussetzen der Schwingung eines Oszillators durch die
Bedämpfung der Sensorspule bei der Annäherung von
elektrisch leitfähigen Teilen als Kriterium für eine
entsprechende Annäherung ausgewertet wird. Dabei wird
die Veränderung der Schwingfrequenz infolge der durch
die Annäherung verringerten Induktivität kaum zur Aus
wertung mit herangezogen.
Bei der Annäherung von ferromagnetischen Teilen, also
von Teilen mit sehr hoher magnetischer Leitfähigkeit,
sind die oben beschriebenen aus der elektrischen
Leitfähigkeit sich ergebenden Effekte überlagert durch
eine Erhöhung der Induktivität als Folge der durch die
ferromagnetischen Eigenschaften erhöhten Permeabilität
der Spulenanordnung. Auch diese Eigenschaften werden
bei Näherungsschaltern benutzt, meist in ähnlicher
Weise wie oben beschrieben.
Die unterschiedlichen Wirkungen bei der Annäherung von
elektrisch leitfähigen nichtmagnetischen Teilen, also
insbesonders von Nichteisenmetallen wie Kupfer,
Aluminium usw., im folgenden NF-Metalle genannt, und
von ferromagnetischen Teilen, also insbesonders von
Eisen-Metallen, im folgenden FE-Metalle genannt,
können im Einzelfall gleichgültig sein, insbesondere
wenn der Näherungsschalter nur die Annäherungen an
stets gleiches Material detektieren soll. Die
unterschiedlichen Wirkungen können aber auch nützlich
sein, insbesonders wenn die Anordnung weniger zur
Detektion einer bestimmten Annäherung verwendet werden
soll, sondern vielmehr zur Unterscheidung der
angenäherten Teile bezüglich ihres Materiales.
Schließlich gibt es auch Fälle, in denen die
unterschiedlichen Wirkungen nachteilig sind,
insbesondere dann, wenn die Detektion auf einen
bestimmten Annäherungszustand unabhängig von den
unterschiedlichen Materialien erfolgen soll, was Ziel
der vorliegenden Erfindung ist.
Bei dem für diesen Zweck bekannten Näherungsschalter
(DE-PS 37 14 433) ist in einer Schwingkreis-Os
zillatoranordnung außer dem im wesentlichen die
Frequenz bestimmenden Frequenz-Schwingkreis ein
Impedanzglied enthalten, und der Impedanzwert dieses
Gliedes wird als auslösendes Merkmal verwendet. Dabei
sind die Resonanzfrequenz des Frequenz-Schwingkreises
und der kritische Impedanzwert des Impedanzgliedes auf
die Koordinaten des Schnittpunktes der für jeweils
gleichen Schaltabstand sich ergebenden
Impedanz/Frequenz-Kennlinie für Auslösung durch
NF-Metall einerseits und durch FE-Metall andererseits
abgestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den
gattungsgemäßen Näherungsschalter hinsichtlich
Temperaturstabilität, Ansprechempfindlichkeit und
kleinerer Bauform zu verbessern.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale
des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst. Bei der
Erfindung ist ein frequenz- und amplitudenkonstanter,
von außen nicht beeinflußbarer Oszillator verwendet,
dem über eine nur schwache Kopplung mittels einer
Impedanz ein von außen beeinflußbarer Schwingkreis,
bevorzugt als Teil eines aktiven, schmalbandigen Band
paßfilters, nachgeschaltet ist.
Zum Unterschied gegenüber Näherungsschaltern, die von
der Bedämpfung eines Oszillator-Schwingkreises und der
dadurch erfolgenden Amplituden- oder Schwingungs
zustandsänderung Gebrauch machen, wird erfindungsgemäß
ein dauernd mit fester Frequenz und Amplitude
arbeitender Oszillator verwendet. Solche Oszillatoren
lassen sich mit modernen elektronischen Bauteilen sehr
einfach und mit nur geringem Raumbedarf aufbauen, ins
besonders, wenn sie durch einen Keramik- oder Quartz
schwinger angeregt werden, also z. B. als Quarz
oszillator aufgebaut sind. Derartige Oszillatoren
zeichnen sich weiter aus durch ein sehr stabiles
Betriebsverhalten, d. h. sie schwingen sicher an, ihr
Schwingungszustand und die Frequenz bleiben auch unter
äußeren Einflüssen wie z. B. Temperatur oder Fremd
feldern stabil. Erfindungsgemäß wird also der
Oszillator selbst einschließlich seines Schwingkreises
nicht von den Annäherungen beeinflußt.
Die eigentliche Sensorspule, also die Spule, die durch
die Annäherungen beeinflußt werden soll, ist Teil
eines Schwingkreises, der lose, also im wesentlichen
rückwirkungsfrei an den Oszillator angekoppelt ist.
Die Impedanz dieses Schwingkreises bei der durch die
Oszillatorfrequenz vorgegebenen Frequenz wird dabei
als Maß für den Grad der Annäherung einer Auswertstufe
zugeführt. Die jeweilige Impedanz des Sensorschwing
kreises hängt ab von seiner Dimensionierung und ferner
von den durch die Annäherungen hervorgerufenen
Änderungseffekten. Bei geeigneter Dimensionierung des
Sensorschwingkreises schneidet sich die
Impedanz/Frequenz-Kennlinie für eine bestimmte
Annäherung von NF-Metallen mit derjenigen für eine
gleiche Annäherung von FE-Metallen an einem Punkt,
also bei einer bestimmten Frequenz und einer
bestimmten Impedanz, im folgenden kritischer Punkt
genannt. Wird nun die gesamte Anordnung so
dimensioniert, daß die Frequenz am kritischen Punkt
mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmt und daß der
Pegeldetektor bei der Impedanz am kritischen Punkt
anspricht, so ist ein Näherungsschalter gegeben, der
bei der Annäherung von NF-Auslösern und von
FE-Auslösern jeweils beim gleichen Maß der Annäherung
anspricht.
Für die erfindungsgemäße Anordnung kann es besonders
zweckmäßig sein, den Sensorschwingkreis als Teil eines
aktiven Bandpaßfilters zu betreiben. Damit wird es
möglich, mit sehr schwachen Oszillatorsignalen auszu
kommen und das gewünschte Übertragungsverhalten des
Bandpaßfilters in weiten Grenzen einzustellen. Die
Ansprechempfindlichkeit kann bei gleichzeitiger Ver
minderung der Abstandsabweichungen erheblich ge
steigert werden.
Da die Frequenz des Sensorschwingkreises am kritischen
Punkt mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmen soll,
wird die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises, also
seine Frequenz im unbeeinflußten Zustand, zwar von der
Oszillatorfrequenz abweichen müssen, aber nur wenig.
Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der
Frequenz am kritischen Punkt jeweils richtig zu
erzielen, kann prinzipiell die Oszillatorfrequenz oder
die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises
entsprechend eingestellt oder bemessen werden. Zur
Einstellung der für den Sensorschwingkreis wirksamen
Anregungsfrequenz kann die ursprüngliche Oszillator
frequenz auch durch einen entsprechenden Frequenz
teiler herabgesetzt werden.
Um die erforderliche Übereinstimmung bezüglich der
Impedanz am kritischen Punkt und dem Auslösepunkt des
Pegeldetektors jeweils richtig zu erzielen, kann
prinzipiell der Schaltpunkt des Pegeldetektors oder
die Verstärkung des Bandpaßfilters oder, durch Zufügen
ohmscher Anteile, die Impedanz des Sensorstromkreises
oder aber die Amplitude des Oszillators oder die Impe
danz der Kopplung entsprechend eingestellt oder
bemessen werden.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteran
sprüchen angegeben und werden nachfolgend anhand der
Fig. 1 bis 3 näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines erfindungs
gemäßen Näherungsschalters,
Fig. 2 das Diagramm eines typischen Verhaltens
von Parallelschwingkreisen bei der An
näherung von verschiedenen Materialien auf
einen bestimmten Abstand und
Fig. 3 verschiedene Möglichkeiten für die An
kopplung des Sensorschwingkreises bzw.
Bandpaßfilters an den Oszillator.
Der in Fig. 1 gezeigte Oszillator 1 kann prinzipiell
ein Oszillator jeder Art sein, insbesondere aber auch
ein Quarzoszillator. Seine Ausgangsfrequenz kann ent
weder unmittelbar zur Ankopplung 3 oder über einen
festen oder einstellbaren Frequenzteiler 2 geführt
sein. Die Ankopplung 3 kann prinzipiell jeder Art
sein, insbesondere aber eine lose Kopplung mittels
einer Impedanz, z. B. nach den in Fig. 3 gezeigten
Beispielen. An dem am Oszillator 1 unmittelbar oder
nach entsprechender Frequenzteilung 2 über die
Kopplung 3 vorzugsweise lose angekoppelten Sensor
schwingkreis 4 entsteht ein von der Einkopplung und
von der jeweiligen Impedanz des Sensorschwingkreises 4
abhängiges Signal, das von einem Pegeldetektor 5 und
einer Schaltstufe 6 in das Ausgangssignal des
erfindungsgemäßen Näherungsschalters umgesetzt wird.
Da die Impedanz des Sensorschwingkreises in bereits
beschriebener Weise von der Annäherung 7 abhängig ist,
wird das Ausgangssignal des Näherungsschalters ent
sprechend der Annäherung ausgelöst.
Der Sensorschwingkreis 4 kann ein einfacher
L-C-Schwingkreis sein, dessen Spule 8 in bekannter
Weise als Sensorspule ausgebildet ist. Anstelle dieser
einfachen Anordnung kann es aber erfindungsgemäß
besonders vorteilhaft sein, den Schwingkreis als Teil
eines aktiven schmalbandigen Bandpaßfilters zu be
treiben. Dabei werden die Schalteigenschaften be
sonders stabil und es kann ein Oszillator mit geringer
Leistung verwendet werden.
Fig. 2 zeigt eine Impedanz/Frequenz-Kennlinie für
verschiedene Zustände. Die Kurve I zeigt die Impedanz
eines unbeeinflußten Schwingkreises in Abhängigkeit
von der Frequenz. Die Kurve II zeigt den typischen
Verlauf beim gleichen Schwingkreis, wenn dieser durch
eine Annäherung eines NF-Metalles, also eines
elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen Teiles, auf
einen bestimmten Abstand beeinflußt ist. Die Resonanz
frequenz und der Höchstwert der Impedanz sind durch
die Beeinflussung verändert. Kurve III schließlich
zeigt den Verlauf bei der Annäherung eines
FE-Metalles also eines ferromagnetischen Teiles, auf
genau den gleichen Abstand wie bei Kurve II. Bei der
gezeigten gleichen Annäherung eines NF-Teiles und
eines FE-Teiles ergibt sich ein Schnittpunkt P₀ der
beiden Kurven II und III bei der Frequenz f₀ und bei
der Impedanz Z₀. Wird nun ein solcher Schwingkreis als
Sensorschwingkreis 4 mit genau der konstanten Frequenz
f₀ angeregt und wird der Schaltpunkt des Pegel
detektors 5 auf den Impedanzwert Z₀ eingestellt, so
wird der damit hergestellte erfindungsgemäße
Näherungsschalter sowohl bei der Annäherung von
NF-Metallen als auch von FE-Metallen beim gleichen
Abstand schalten.
In Fig. 3 sind verschiedene Möglichkeiten für die
vorzugsweise lose Ankopplung 3 des Sensorschwing
kreises 4 an den frequenzkonstanten Oszillator 1, bzw.
soweit vorhanden, zugehörigen Frequenzteiler 2,
dargestellt. Fig. 3a zeigt eine einfache kapazitive
Ankopplung. Die Sensorspule 8 und der Kondensator 9
bilden den Sensorschwingkreis 4, ggfs. auch als Teil
eines aktiven Filters. Der Kondensator 10 bildet die
Impedanz der Ankopplung 3 an den Oszillator 1 bzw. den
Frequenzteiler 2. Fig. 3b zeigt eine kapazitive
Kopplung, bei der der Schwingkreiskondensator 9 in
zwei Teile 9 a und 9 b aufgeteilt ist und die Ankopplung
dazwischen erfolgt. In Fig. 3c erfolgt die kapazitive
Ankopplung mittels des Kondensators 10 als Impedanz
auf einen Abgriff der Schwingkreisspule 8. Eine
induktive Ankopplung ist in Fig. 3d gezeigt. Dabei
wird die Schwingungsanregung induktiv über die
magnetische Kopplung der über den Kondensator 10 mit
dem Oszillator verbundenen Erregerspule 11 mit der
Sensorschwingkreisspule 8 übertragen.
Die Schwingungsanregung des Schwingkreises kann beim
aktiven Bandpaß auch an geeigneter Stelle im Ver
stärkerzweig erfolgen.
Claims (10)
1. Induktiver Näherungsschalter, mit einem Oszillator
(1), mit einer von einem elektrisch leitfähigen
Nichteisenmetall (NF)- und/oder einem ferromagne
tischen Metall (FE)-Auslöser (7) beeinflußbaren,
in einem Schwingkreis (4) liegenden Sensorspule
(8), mit einer Auswerteschaltung (5, 6), die die
Schaltzustände aus dem Impedanzwert des Schwing
kreises (4) ableitet, wobei die Frequenz des
Oszillators (1) und der kritische Impedanzwert des
Sensor-Schwingkreises (4) auf die Koordinaten (f₀,
Z₀) des Schnittpunktes (P₀) der für jeweils
gleichen Schaltabstand sich ergebenden
Impedanz/Frequenz-Kennlinien für einen NF-Auslöser
und einen FE-Auslöser abgestimmt sind, dadurch
gekennzeichnet,
- a) daß der Oszillator (1) frequenzkonstant arbeitet,
- b) daß der Oszillator (1) amplitudenkonstant arbeitet,
- c) daß der Oszillator (1) selbst von außen nicht beeinflußbar ist,
- d) daß der Sensorschwingkreis (4) über eine Impedanz (3) an den Oszillator (1) angeschlossen ist und
- e) daß die vom Oszillator (1) an die Impedanz (3) gelieferte Frequenz etwa im Bereich der Eigenfrequenz des Sensorschwingkreises (4) liegt.
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Oszillator (1) durch einen
Keramik- oder Quarzschwinger gesteuert wird, also
beispielsweise ein Quarzoszillator ist.
3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators
(1) einstellbar ist.
4. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Amplitude des Oszillators (1) einstellbar
ist.
5. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Oszillator (1) und der
Koppelimpedanz (3) ein fester oder einstellbarer
Frequenzteiler (2) angeordnet ist.
6. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Sensorschwingkreis (4) Teil eines aktiven
schmalbandigen Bandpaßfilters ist.
7. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grundfrequenz des Sensorschwingkreises (4)
einstellbar ist.
8. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Güte des Sensorschwingkreises (4) durch
Zuschalten von festen oder einstellbaren ohmschen
Anteilen einstellbar ist.
9. Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet daß die Verstärkung des aktiven Bandpaß
filters einstellbar ist.
10. Näherungsschalter nach einem oder mehreren der
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltpunkte des Pegeldetektors (5)
einstellbar sind.
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