DE3914387A1 - Sicherheits-naeherungsschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheits-Näherungsschalter, der die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruches 1 aufweist.

Sicherheits-Näherungsschalter werden anstelle der üblichen Näherungsschalter eingesetzt, wenn die üblichen, nur eine einzige Oszillatorspule aufweisenden Näherungsschalter bei einem Ausfall die Sicherheit der Maschine, Anlage oder dgl., an der sie vorge­ sehen sind, oder von Personen gefährden würden.

Wie ein bekannter Näherungsschalter (JP 59-1 86 422A), der in zwei im rechten Winkel zueinander verlaufenden Richtungen sensitiv ist, bestehen be­ kannte Sicherheits-Näherungsschalter der eingangs genannten Art (DE-OS 29 66 021) aus zwei funktionell vollständig getrennten Näherungsschaltern. Zu einem Sicherheits-Näherungsschalter sind sie nur dadurch vereinigt, daß sie einschließlich der beiden die Oszillatorspulen tragenden Ferritkerne, die sich in je einer Hülse befinden, in einem gemeinsamen Gehäuse ange­ ordnet sind und die Ausgangssignale der beiden Näherungsschalter über je einen Kanal der zweikanaligen Auswerteelektronik zuge­ führt werden. Nachteilig ist, daß der Schaltabstand dieser bekannten Sicherheits-Näherungsschalter bei gleicher Geometrie kleiner ist als derjenige der üblichen Näherungsschalter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sicherheits-Nä­ herungsschalter zu schaffen, der eine günstige Relation zwischen Schaltabstand und Geometrie als die vorstehend erwähnten, be­ kannten Sicherheits-Näherungsschalter hat. Diese Aufgabe löst ein Sicherheits-Näherungsschalter mit den Merkmalen des An­ spruches 1.

Obwohl die beiden Oszillatorspulen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind, bleibt bei einer Funktionsstörung des einen Näherungsschalters der andere Näherungsschalter funktionsfähig. Der gemeinsame Kern erlaubt jedoch, entweder den Raumbedarf zu verringern oder den Kerndurchmesser zu vergrößern. Da der Schaltabstand proportional zum Kerndurchmesser ist, läßt sich das Verhältnis von Schaltabstand zu Geometrie- oder Raumbedarf wesentlich vergrößern.

Der zweikanalige Aufbau ermöglicht eine ständige Kontrolle der Funktionsfähigkeit der beiden Näherungsschalter, so daß eine Funktionsunfähigkeit ohne Verzögerung erkannt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der durch den Weg­ fall eines Kerns im Gehäuse zur Verfügung stehende Platz dazu genutzt, den Durchmesser des gemeinsamen Kernes, bei dem es sich vorzugsweise um einen Ferritkern handelt, entsprechend größer wählen zu können.

Vorzugsweise sind die beiden Oszillatorspulen auf einem gemein­ samen Zweikammer-Wickelkörper angeordnet.

Sofern eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Oszillatoren auftreten oder zu befürchten sein sollte, kann eine solche Beeinflussung dadurch vollständig ausgeschaltet werden, daß die beiden Oszillatoren im Wechsel ein- bzw. ausgeschaltet sind. Hierzu kann in den beiden Schwingkreisen je ein elek­ tronischer Schalter vorgesehen werden, die von einem Taktgeber aus angesteuert werden, dessen Taktsignale mit der Taktfrequenz zwischen einem hohen Pegel und einem niedrigen Pegel wechseln. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses Taktsignal auf die Versorgungsspannung der beiden Oszillatoren aufmoduliert. Im Gehäuse des Sicherheits-Näherungsschalters ist dann wenigstens ein Taktdemodulator vorgesehen. Weitere vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 13.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des ersten Ausführungs­ beispiels,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des zweiten Ausführungs­ beispiels mit zugehöriger Auswerteeinheit,

Fig. 3 Impulsdiagramme des zweiten Ausführungsbei­ spiels.

Ein Sicherheits-Näherungsschalter gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel weist in einem nur schematisch angedeuteten Gehäuse 1, das aus einer Metall- oder Kunststoffhülse besteht, einen einzigen Ferritkern 2 auf, dessen Durchmesser so gewählt ist, daß er den im Gehäuse 1 zur Verfügung stehenden Raum vollständig ausnutzt. Den Ferritkern 2 umgibt ein nicht dargestellter Spulenträger aus Kunststoff, auf dem zwei Oszillatorspulen 3 und 4 angeordnet sind. Die eine Oszillatorspule 3 ist an eine erste Schalterelektronik 5, die zweite Oszillatorspule 4 an eine entsprechend ausgebil­ dete, zweite Schalterelektronik 6 angeschlossen. Die beiden Schalterelektroniken 5 und 6, welche die beiden Oszillator­ spulen 3 und 4 zu je einem Oszillator ergänzen, unterscheiden sich im Ausführungsbeispiel nur dadurch voneinander, daß die Oszillatorfrequenzen unterschiedlich sind.

Der Signalausgang A 1 und die Betriebsspannung der ersten Schalterelektronik 5 wird über eine eigene Leitung mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit mit sicherheits­ technischem Aufwand zur Bildung eines ersten Kanals verbun­ den.

Ebenso ist der Signalausgang A 2 und die Betriebsspannung der zweiten Schalterelektronik 6 über eine eigene Leitung mit der Auswerteeinheit zur Bildung eines zweiten Kanals verbunden.

Je nach dem, ob ein nicht dargestelltes Bedämpfungselement einen Abstand vom Ferritkern 2 hat, der größer oder kleiner als der Schaltabstand ist, befindet sich das digitale Aus­ gangssignal beider Schalterelektroniken 5 und 6 auf seinem niedrigen bzw. seinem hohen Niveau. Ein Ausfall eines der beiden Näherungsschalter hat zur Folge, daß sein Ausgangs­ signal beispielsweise auf dem niedrigen Niveau liegt. Wenn gleichzeitig das eine Ausgangssignal auf seinem hohen und das andere auf seinem niedrigen Niveau liegt, läßt sich deshalb leicht erkennen, daß der eine Näherungsschalter ausgefallen ist.

Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Sicherheits-Näherungsschalters sind in einem gemein­ samen Gehäuse 101, das vorzugsweise aus einer Metallhülse besteht, zwei Oszillatoren enthalten, deren beide Oszillator­ spulen 103 bzw. 104 auf einem gemeinsamen, aus Kunststoff bestehenden, nicht dargestellten Wickelkörper angeordnet sind, der einem beiden Oszillatorspulen 103 und 104 gemein­ samen Ferritkern 102 umgibt. Der mit der Oszillatorspule 103 zusammen einen Schwingkreis bildende Kondensator ist mit 107, der zusammen mit der Oszillatorspule 104 den anderen Schwingkreis bildende Kondensator mit 108 gekennzeichnet.

Wie Fig. 2 zeigt, liegt in beiden Schwingkreisen je ein MOS-Fet-Transistor 109 bzw. 110, die beide im leitenden Zustand sehr niederohmig sind. Angesteuert werden diese beiden Transistoren 110 und 109 von je einem Taktdemodula­ tor 111 bzw. 112, an dessen Eingang die mit einem Taktsignal modulierte Versorgungsspannung U _{B 1} bzw. U _{B 2} anliegt, welche dem einen bzw. anderen Oszillator über je eine eigene Leitung 113 bzw. 114 zugeführt wird. Selbstverständlich können diese beiden im Ausführungsbeispiel dreiadrigen Leitungen 113 und 114 zu einem gemeinsamen Kabel zusammengefaßt sein, sofern dieses Kabel so aufgebaut ist, daß eine Verbindung von Kanal 1 zu Kanal 2 ausgeschlossen werden kann. Für die Energieversorgung der beiden Oszillatoren werden die beiden Spannungen U _{B 1} und U _{B 2} mittels je einer Spannungs­ stabilisierungsschaltung 115 bzw. 116 stabilisiert.

Die Verbindungsstelle der Oszillatorspule 103 mit dem Kon­ densator 107 ist an den Emitter eines als Diode dienenden npn-Transistors 117 angeschlossen, dessen Basis über einen Widerstand 119 mit dem Ausgang der Spannungsstabilisierungs­ schaltung 115 verbunden ist. Entsprechend ist die Verbin­ dungsstelle zwischen der Oszillatorspule 104 und dem Kon­ densator 108 mit dem Emitter eines npn-Transistors 118 verbunden, dessen Basis über einen Widerstand 120 an den Ausgang der Spannungsstabilisierungsschaltung 116 ange­ schlossen ist. Die das Nullpotential führende Ader der Leitung 113 ist mit der Verbindungsstelle zwischen dem MOS-Fet-Transistor 109 und dem Kondensator 107 verbunden. Entsprechend liegt die Ver­ bindungsstelle zwischen dem MOS-Fet-Transistor 110 und dem Kondensator 108 auf Nullpotential.

Für die Ansteuerung der beiden MOS-Fet-Transistoren 109 und 110 wird in einer Auswerteeinheit 121, welche mit dem Gehäuse 101 nur über die Leitungen 113 und 114 verbunden ist, mittels eines Taktgenerators 122 ein Taktsignal T und ein dazu inverses Taktsignal erzeugt. Wie Fig. 3 für das Taktsignal T zeigt, besteht dieses aus äquidistanten Rechteckimpulsen, deren Länge gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen ist.

An den Ausgang eines Gleichrichters 123 der Auswerteeinheit 121 sind zwei Modulatoren 125 und 126 angeschlossen. Mit dem die eine Polarität der Gleichspannung aufweisenden Eingang des Modulators 125 ist der das Taktsignal T liefern­ de Ausgang des Taktgenerators 122, mit dem die andere Po­ larität aufweisenden Eingang des Modulators 126 der das inverse Taktsignal liefernde Ausgang verbunden. Der Modu­ lator 125 erzeugt die Versorgungsspannung U _{B 1}, der Modulator 126 die Versorgungsspannung U _{B 2}, deren zeitlicher Verlauf in Fig. 3 dargestellt ist. Infolge der Demodulation durch den Demodulator 111 liegt am Gate des MOS-Fet-Transistors 109 die dem Taktsignal T entsprechende Steuerspannung U _{G 1} an. Entsprechend hat die über den Demodulator 112 an das Gate des MOS-Fet-Transistors 110 angelegte Steuerspannung U _{G 2} den zeitlichen Verlauf des inversen Taktsignals . Dies hat zur Folge, daß die beiden Oszillatoren im Wechsel jeweils für die Dauer eines Taktimpulses schwingen, wobei die Ampli­ tude der an der Oszillatorspule anliegenden Spannung U _{L 1} bzw. U _{L 2} von der Bedämpfung durch äußere Einflüsse abhängt. Hat beispielsweise ein sich der gemeinsamen Sensorfläche beider Oszillatoren nähernder Bedämpfungskörper am Ende der zweiten Arbeitsperiode des aus der Spule 103 und dem Kondensator 107 bestehenden Oszillators bei der in Fig. 3 dargestellten Folge dieser Arbeitsperioden denjenigen Abstand erreicht, bei dem eine Bedämpfung und damit eine Amplitudenreduzierung beginnt, dann führt eine weitere Annäherung während der zweiten Arbeitsperiode des aus der Oszillatorspule 104 und dem Kondensator 108 bestehenden Schwingkreises zu der in Fig. 3 dargestellten Reduzierung der an der Oszillator­ spule 104 anliegenden Spannung U _{L 2}. Den in Fig. 3 darge­ stellten Diagrammen liegt die Annahme zugrunde, daß der Abstand des Bedämpfungskörpers von der Sensorfläche zunächst für je eine Arbeitsperiode der beiden Oszillatoren konstant bleibt und sich dann soweit verringert, so daß bei der vierten Arbeitsperiode des aus der Oszillatorspule 103 mit dem Kondensator 107 bestehenden Schwingkreises die an der Oszillatorspule 103 liegende Spannung U _{L 1} auf den Wert 0 abnimmt.

Die an der Oszillatorspule 103 anliegende Spannung U _{L 1} wird an einer Anzapfung dieser Spule abgegriffen und über einen Widerstand 127 sowie einen Transistor 128 an den Eingang eines Schmitt-Triggers 129 gelegt, der als A/D- Wandler dient. Dieser Eingang ist über einen ohm'schen Widerstand 130 mit dem Ausgang der Stabilisierungsschaltung 115 und über einen Glättungskondensator 131 mit Nullpotential verbunden.

Die am Glättungskondensator 131 anliegende Spannung U _{C 1} hat bei dem in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verlauf der an der Oszillatorspule 103 anliegenden Spannung U _{L 1} den ebenfalls in Fig. 3 dargestellen zeitlichen Verlauf. Die Schaltschwelle des Schmitt-Triggers 129 liegt auf der im U _{C 1}/Zeit-Diagramm durch eine strichpunktierte Linie dargestellten Höhe. Die Ausgangsspannung U _{A 1} des Schmitt- Triggers 129 hat deshalb bei dem angenommenen Verlauf der Spannung U _{C 1} den in Fig. 3 dargestellten Verlauf, bleibt also ab dem Ende der zweiten Arbeitsperiode des Oszillators auf ihrem hohen Pegel.

In entsprechender Weise ist der Abgriff der Oszillatorspule 104 über einen Widerstand 132 und einen Transistor 133 mit dem Eingang eines Schmitt-Triggers 134 verbunden. Sein Eingang ist über einen ohm'schen Widerstand 135 mit dem Ausgang der Stabilisierungsschaltung 116 und über einen Glättungskondensator 136 mit Nullpotential verbunden. Die am Glättungskondensator 136 anliegende Spannung U _{C 2} sowie die Ausgangsspannung U _{A 2} des Schmitt-Triggers 134 sind in Fig. 3 ebenfalls dargestellt.

Über je einen Verstärker 137 bzw. 138 und eine Ader der Leitung 113 bzw. 114 gelangen die Ausgangsspannungen U _{A 1} und U _{A 2} zu einer Aufbereitungsschaltung 139 bzw. 140, die beide in der Auswerteeinheit 121 enthalten sind. Der Auf­ bereitungsschaltung 139 wird ein Taktsignal T 1 zugeführt, das ebenfalls vom Taktgenerator 122 erzeugt wird und aus kurzen Rechteckimpulsen besteht, welche in der Mitte zwischen dem Beginn und dem Ende jedes Impulses des Taktsignals T erzeugt werden. Entsprechend wird ein Taktsignal T 2 vom Taktgenerator 122 an die Aufbereitungsschaltung 140 gelie­ fert. Auch dieses Taktsignal T 2 besteht aus kurzen Recht­ eckimpulsen, die in der Mitte zwischen dem Beginn und dem Ende jedes Impulses des inversen Taktsignales erzeugt werden. Das Ausgangssignal U _{AS 1} der Aufbereitungsschaltung 132 liegt au einem niedrigen Pegel, wenn die Impulse des Taktsignales T 1 während eines niedrigen Pegels der Ausgangs­ spannung U _{A 1} des Schmitt-Triggers 139 auftreten und auf einem hohen Pegel, wenn sie mit einem hohen Pegel dieses Ausgangssignals zusammenfallen, wobei der Übergang vom niedrigen auf den hohen Pegel erfolgt, sobald erstmals ein Impuls des Taktsignals T 1 mit einem hohen Pegel der Ausgangsspannung U _{A 1} zusammenfällt. Entsprechendes gilt für das Ausgangssignal U _{AS 2} der Aufbereitungsschaltung 138, wie Fig. 3 zeigt. Von Bedeutung ist hierbei, daß bei einem Wechsel der Bedämpfung, im Ausführungsbeispiel bei einer größer werdenden Bedämpfung, das Ausgangssignal U _{AS 2} seinen Pegel zu einem anderen Zeitpunkt als das Ausgangs­ signal U _{AS 1} ändert. Die Zeitversetzung beträgt eine halbe Taktperiode.

Ein vom Taktgenerator 122 angesteuerter Vergleicher 141 vergleicht die beiden Ausgangssignale U _{AS 1} und U _{AS 2}. Er erzeugt ein Störsignal, wenn diese Ausgangssignale länger als eine halbe Taktperiode unterschiedlich sind, da dann einer der beiden Kanäle gestört ist. Über den nichtgestörten Kanal wird nach wie vor die richtige Information an die Auswerteeinheit 121 geliefert, so daß der Sicherheits-Nähe­ rungsschalter funktionsfähig bleibt.

Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten sowie auch die nur allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merkmale sind als weitere Ausgestaltungen Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Claims (13)

1. Sicherheits-Näherungsschalter mit einer ersten, auf einem Kern angeordneten Oszillatorspule und einer zweiten, auf einem Kern angeordneten Oszillatorspule, die je an eine sie zu je einem Schwingkreis ergänzende Schalterelektro­ nik angeschlossen sind, welche über getrennte Kanäle mit einer Auswerteeinheit zu verbinden sind, wobei die beiden Schwingkreise unterschiedliche Frequenzen haben, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oszillatorspulen (3, 4; 103, 104) auf einem gemeisamen Kern (2; 102) angeordnet sind.

2. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen beide Oszillatorspulen (3, 4; 103, 104) tragenden Wickelkörper, der vorzugsweise getrennte Kammern für die beiden Oszillatorspulen (3, 4; 103, 104) hat.

3. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Wegfall eines zweiten Kernes gewonnene Platz im Schaltergehäuse (1; 101) für eine Vergrößerung des Durchmessers des gemein­ samen Kernes (2; 102) genutzt ist.

4. Sicherheits-Näherungsschalter nach einem der An­ sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schwin­ kreise (103, 107; 104, 108) im Wechsel ein- bzw. ausge­ schaltet sind.

5. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beiden Schwing­ kreise (103, 107; 104, 108) ein elektronischer Schalter (109, 110), vorzugsweise ein im leitenden Zustand nieder­ ohmiger MOS-Fet-Transistor, liegt.

6. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Taktgeber (122), dessen Taktsignal (T, ) mit der Taktfrequenz zwischen einem hohen Pegel und einem niedrigen Pegel wechselt.

7. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktsignal (T, ) auf die Versorgungsspannung für die beiden Oszillatoren (103, 107; 104, 108) aufmoduliert ist und im Schaltergehäuse (101) wenigstens ein Taktdemodulator (111, 112) vorgesehen ist.

8. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die beiden Schwingkreise (103, 107; 104, 108) über je eine eigene Spannungsversorgungsleitung (113, 114) mit der Auswerteeinheit (121) verbindbar sind,
• b) das auf die Versorgungsspannung für den einen Schwingkreis (103, 107) aufmodulierte Taktsignal (T) gegenüber dem auf die Versorgungsspannung für den anderen Schwingkreis (104, 108) aufmodulierte Taktsignal () um 180° phasen­ verschoben ist,
• c) vom Taktdemodulator (111, 112) die beiden Versorgungs­ spannungen demoduliert und die um 180° gegeneinander phasenverschobenen Steuersignale (U _{G 1}, U _{G 2}) für die beiden elektronischen Schalter (109, 110) erzeugt werden.

9. Sicherheits-Näherungsschalter nach einem der An­ sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwing­ kreisspannung jeder der beiden Schwingkreise (103, 107; 104, 108) an je einem Glättungskondensator (131, 136) anliegt.

10. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U _{C 1}, U _{C 2}) jedes der beiden Glättungskondensatoren (131, 136) am Eingang je eines Schmitt- Triggers (129, 134) anliegt.

11. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen dem Eingang des Schmitt-Triggers (129, 134) und dem Abgriff für die Schwing­ kreisspannung ein Transistor (128, 133) liegt, der bei positiven Werten der Schwingkreisspannung sich im leitenden Zustand be­ findet.

12. Sicherheits-Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (121) einen von einem Taktsignal gesteuerten Vergleicher (139) für die aus den Schwingkreisspannungen gewonnenen Ausgangssignale (U _{AS 1}, U _{AS 2}) enthält.

13. Sicherheits-Näherungsschalter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Eingänge des Vergleichers (139) an die Ausgänge je einer Aufbereitungsschaltung (137, 138) angeschlossen sind, an denen die eine bzw. andere zur Auswerte­ einheit (121) übertragene Spannung (U _{A 1}, U _{A 2}) und das diesem Schaltersignal zugeordnete Taktsignal (T 1, T 2) anliegen.