DE3919916A1

DE3919916A1 - Induktiver naeherungsschalter

Info

Publication number: DE3919916A1
Application number: DE19893919916
Authority: DE
Inventors: Manfred Sagert
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1989-06-19
Filing date: 1989-06-19
Publication date: 1990-12-20
Also published as: DE3919916C2

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Induktive Näherungsschalter, bestehend aus Oszillator, LC-Schwingkreis, Auswerte einheit und Ausgangsstufe sind bekannt. Sobald an einen derartigen Näherungs schalter eine Speisespannung angelegt wird, fängt der Oszillator an zu schwingen. und nimmt einen definierten Strom auf. Die Schwingkreisspule des Oszillators ist gewöhnlich in einem Ferritkern angeordnet, wodurch das elektrische Feld der Spule zentriert wird. Wird ein Metallteil in dieses Feld gebracht, schwingt der Schwingkreis gestört bzw. bedämpft und die Schwingung reißt ab. Dies hat eine Änderung der Stromaufnahme zur Folge, was durch die nachgeschaltete Auswerteeinheit erkannt wird, die die Ausgangsstufe entsprechend ansteuert. Wird das Metallteil wieder entfernt, so schwingt der Oszillator wieder an und der ursprüngliche Zustand stellt sich wieder ein. Als Metallteil können dabei verschiedenste Materialien Verwendung finden, wie Fe, Al, Cu, Ms, V2A oder Legierungen hiervon.

Derartige Näherungsschalter haben einen entsprechenden Schaltabstand, der vom beeinflussenden Material des Metallteils abhängig ist. Ebenso besitzen derartige Näherungsschalter einen Reduktionsfaktor für Nicht-Eisenmetalle. Der Nennschalt abstand wird mit einer Meßfahne aus Stahl ermittelt; bei Bedämpfung mit anderen Metallen oder Legierungen verringert sich der erreichbare Schaltabstand. Die Verrin gerung bei Verwendung eines Metallteiles aus Nichteisen kann dabei erheblich sein.

Durch die DE 35 27 442 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt geworden zur Änderung des Gütefaktors einer elektro-magnetischen Spule, die zunächst vorbedämpft wird, indem die stirnseitigen Austritts- und/oder Eintrittsflächen der magnetischen Feldlinien des Spulenkerns mit einem ferro- oder nichtferromagneti schen Material mindestens teilweise belegt sind und zur Verbesserung des Güte faktors der Spule ein nichtferromagnetisches Material, zur Verringerung des Gütefaktors hingegen ein ein ferromagnetisches Material im Freiraum-Nahbereich der Spule angeordnet ist. Die Verbesserung des Gütefaktors der Spule ist durch diese Anordnung allerdings zu gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bekannten Näherungsschalter der eingangs genannten Gattung dergestalt zu verbessern, daß dieser gegenüber ver gleichbaren Näherungsschaltern des Standes der Technik einen geringeren Reduk tionsfaktor besitzt und dadurch eine hohe Ansprechempfindlichkeit auch für unter schiedliche Metalle, insbesondere NE-Metalle, erzielt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.

Der erfindungsgemäße induktive Näherungsschalter besitzt gegenüber vergleich baren Näherungsschaltern des Standes der Technik den Vorteil, daß dieser eine erhöhte Ansprechempfindlichkeit auf unterschiedliche Metalle besitzt, wobei der Reduktionsfaktor wesentlich verbessert ist. Der Reduktionsfaktor liegt beim erfindungs gemäßen Näherungsschalter für die gebräuchlichsten Metalle, wie Fe, Al, Cu, Ms, V2A oder Legierungen hiervon, praktisch oder fast bei 1, was von der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Schwingkreise abhängt.

Des weiteren ist es bei entsprechender gegenseitiger Beeinflussung der beiden Schwingkreise möglich, in vorteilhafter Weise die Materialeigenschaft des sich nähernden Körpers zu detektieren. Beispielsweise kann der Oszillator des ersten Schwingkreises bei Annähern eines Körpers aus Eisen in einem bestimmten Maße aufschwingen, bei Annähern eines Körpers aus Aluminium hingegen nicht.

Der erfindungsgemäße Näherungsschalter arbeitet vorteilhafterweise in umgekehrter Wirkungsrichtung. Bei Abwesenheit eines Metallteilchens ist der Oszillator des ersten Schwingkreises stark bedämpft, beim Annähern eines Metallteilchens schwingt der Oszillator auf. Die Umkehrung der Wirkungsrichtung ist für spezielle Sicherheits funktionen, zum Beispiel Erhöhen der Zuverlässigkeit, von Vorteil. Die Umkehrung der Wirkungsweise beim erfindungsgemäßen Näherungsschalter besitzt des weiteren für die Verwendung praktische elektrische Vorteile, weil dadurch der elektrische Aufbau des erfindungsgemäßen Näherungsschalters vereinfacht ausgeführt sein kann. Bei einem vergleichbaren Nährungsschalter des Standes der Technik wird hingegen der Oszillator bei Anwesenheit eines Metallteilchens bedämpft und schwingt bei Abwesenheit eines Metallteilchens auf.

Desweiteren findet zwischen den beiden Spulen ein gewisser Temperaturgleichlauf statt, wodurch sich in vorteilhafter Weise eine Temperaturkompensation ergibt. Dadurch wird der Temperaturgang des erfindungsgemäßen Näherungsschalters ver bessert.

Durch die Annäherung des zweiten Schwingkreises bzw. dessen Spule an den ersten Schwingkreis bzw. dessen Spule in einem bestimmten Kopplungsverhältnis wird dem schwingenden Oszillator des ersten Schwingkreises die Energie soweit entzogen, daß nur noch eine kleine Restschwingung von Strom und Spannung vorhanden ist. Dabei entzieht der zweite Schwingkreises dem ersten Schwingkreises dann praktisch die gesamte Energie, wenn die Resonanzschwingungen beider Schwingkreise übereinstimmen oder praktisch übereinstimmen; an der zweiten Spule des zweiten Schwingkreises steht dann eine Schwingung mit geringer Amplitude an.

Die beiden Spulen stehen somit in einem bestimmten Kopplungsverhältnis zuein ander. Wird nun ein elektrisch leitfähiger Körper, beispielsweise eine Metallplatte, an die zweite Spule des zweiten Schwingkreises angenähert, so wird die Anpassung verstimmt, wodurch der Oszillator des ersten Schwingkreises aufschwingt und eine größere Energie in die zweite Spule des zweiten Schwingkreises treibt, was ein Ansteigen der Amplitude von Strom und Spannung innerhalb der zweiten Spule bewirkt. Bei noch weiterer Annäherung der Metallplatte sinkt die Amplitude in der zweiten Spule wieder, was aber keine Rückwirkung auf die erste Spule des ersten Schwingkreises bzw. auf den Oszillator hat.

Wenn beide Spulen optimal aufeinander abgestimmt sind, ergibt sich bei allen hier gebräuchlichen Metallen, wie Fe, Ms, Al, Cu, V2A o.ä., kein Reduktionsfaktor, das heißt, daß der Schaltabstand für sämtliche Metalle praktisch immer gleich ist.

In vorteilhafter Weise sind beide Spulen der beiden Schwingkreise bzw. die Schalen kerne axial angeordnet und sitzen auf einer gemeinsamen Achse, wobei die beiden Spulen bzw. die beiden Schalenkerne gleichen oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen können.

Zwischen beiden Spulen kann ein Abstandshalter angeordnet sein, der die Eigen schaft besitzt, die Kopplung beider Spulen nicht zu beeinflussen. Der Abstandshalter muß somit gute magnetische Eigenschaften aufweisen und darf das magnetische Feld nicht schwächen. Ein derartiger Abstandshalter kann zum Beispiel ein Isolator sein.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließen beschrie ben. Dabei zeigt die Figur einen schematischen Längsschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Näherungsschalters.

Der Näherungsschalter besteht aus einem Oszillator 1, der z.B. ein Namur-Oszillator sein kann. Dieser Oszillator 1 ist zu einem LC-Schwingkreis mit einem Kondensator 10 und einer Spule 2 geschaltet, die gewöhnlich innerhalb eines Schalenkernes 3 angeordnet ist. Desweiteren kann der Oszillator 1 eine Transistorschaltung aufweisen, mit der der Oszillator zum Schwingen angeregt wird.

Auf der Spule 2, bzw. auf dem Schalenkern 3 der Spule 2, ist eine weitere Spule 4 angeordnet, die mittels eines Kondensators 6 und eines Widerstandes 7 ebenfalls zu einem LC-Schwingkreis, zweiter Schwingkreis genannt, geschaltet ist. Die Resonanz frequenzen der beiden Schwingkreise sind gleich oder fast gleich.

Die zweite Spule 4 des zweiten Schwingkreises kann ebenfalls innerhalb eines Schalenkernes 5 angeordnet sein, wobei der Schalenkern 5 in räumlicher Zuordnung auf dem Schalenkern 3 bzw. der Spule 2 des ersten Schwingkreises angeordnet ist.

Des weiteren kann zwischen den beiden Schalenkernen 3, 5 der Schwingkreise ein Abstandshalter 8 angeordnet sein, der beispielsweise aus einem Kunststoff-Plättchen besteht. Dieser Abstandshalter 8 darf das elektromagnetische Feld der ersten Spule bzw. beider Spulen nicht schwächen. Die gesamte beschriebene Anordnung kann zur Abschirmung innerhalb eines Rohrkernes 9 angeordnet sein, der beispielsweise aus Ferrit-Material bestehen kann. In der Zeichnung sind die beiden Spulen 2, 4 axial auf einer gemeinsamen Achse 12 angeordnet, die gleichzeitig Mittelachse des Nähe rungsschalters ist; beide Schalenkerne 3, 5 und beide Spulen 2, 4 besitzen gleiche Durchmesser. In der Figur ist der Näherungsschalter des Standes der Technik mittels einer Punktlinie umrandet.

Die Wirkungsweise des Näherungsschalters ist folgende: Dem schwingenden LC-Schwingkreis bestehend aus dem Oszillator 1 und der Spule 2 wird durch den zweiten LC-Schwingkreis, bestehend aus Spule 4, Kondensator 6 und Widerstand 7, die Energie so weit entzogen, daß nur noch eine kleine Restschwingung innerhalb der Spule 2 vorhanden ist. Das geschieht dann, wenn die beiden Resonanzfrequenzen der LC-Schwingkreise übereinstimmen oder fast über einstimmen. An der Spule 4 steht dann nur eine Schwingung mit geringer Amplitude an; zwischen beiden Spulen 2 und 4 herrscht ein bestimmtes Kopplungsverhältnis.

Wird nun ein elektrisch leitender Körper 11, z.B. eine Metallplatte, an die Spule 4 angenähert, so wird die Anpassung in ihrer Bedämpfung verstimmt, wodurch der Oszillator 1 aufschwingt und dadurch eine größere Energie in die Spule 4 treibt, wodurch die Amplitude der Schwingung innerhalb der Spule 4 ansteigt. Bei noch weiterer Annäherung der Metallplatte 11 kann die Amplitude innerhalb der Spule 4 wieder absinken, was aber keine Rückwirkung auf die Spule 2 bzw. den Oszillator 1 des ersten Schwingkreises hat.

Somit läßt sich die Bedämpfung des ersten LC-Schwingkreises, bestehend aus Oszillator 1 und Spule 2, durch den zweiten Schwingkreis, bestehend aus Spule 4, Kondensator 6 und Widerstand 7, aufheben durch die Annäherung eines elektrisch leitfähigen Körpers 11, der aus den Metallen Fe, Al, Cu, Ms, V2A u.ä. bestehen kann.

Abhängig von der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Schwingkreise bzw. von der gegenseitigen Kopplung der beiden Spulen kann bei der Verwendung von Nicht-Eisenmetallen ein zu detektierender Körper kein nennenswerter oder ein unterschiedlicher Reduktionsfaktor meßbar sein. Die gegenseitige Beeinflussung kann dergestalt gewählt sein, daß, wenn beide Schwingkreise in ihrer Resonanz schwingung übereinstimmen, bei der Verwendung von Nicht-Eisenmetallen kein nennenswerter Reduktionsfaktor mehr meßbar ist. Oder die gegenseitige Beeinflus sung wird dergestalt gewählt, daß gerade bei der Verwendung von Nicht-Eisen metallen als zu detektierende Körper unterschiedliche Reduktionsfaktoren auftreten.

Liste der Bezugszeichen:

1 Oszillator
2 Spule
3 Schalenkern
4 Spule
5 Schalenkern
6 Kondensator
7 Widerstand
8 Isolator
9 Rohrkern
10 Kondensator
11 elektrisch leitfähiger Körper
12 gemeinsame Achse der Spulen

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter bestehend aus einem schwingfähigen Oszillator mit einer Spule, die einen LC-Schwingkreis bilden, der von einem Wechselstrom durch flossen ist, zur Bestimmung des Weges und/oder der Position im Raum und/oder der Materialeigenschaft eines zu detektierenden elektrisch leitfähigen Körpers durch Ein bringen desselben in das elektromagnetische Feld der Spule, wobei das Meßsignal mit einem Fremdsignal verglichen wird zur Auslösung eines Schaltvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß der Spule (2) des ersten Schwingkreises (1, 2) eine zweite Spule (4) eines zweiten Schwingkreises (4, 6, 7) unter gegenseitiger Beeinflussung benachbart ist, wobei die gegenseitige Beeinflussung beider Schwingkreise so vorgenommen ist, daß in Abwesenheit des zu detektierenden Körpers (11) der erste Schwingkreis (1, 2) durch den zweiten Schwingkreis (4, 6, 7) weitestgehend bedämpft wird und bei Anwe senheit des zu detektierenden Körpers der Oszillator (1) des ersten Schwingkreises (1, 2) entdämpft wird und die dadurch angefachte Schwingung einen Schaltvorgang auszulösen imstande ist.

2. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen (2, 4) innerhalb von Schalenkernen (3, 5) angeordnet sind, wobei der Schalenkern (5) der zweiten Spule (4) auf die erste Spule (2) bzw. auf den Schalenkern (3) der ersten Spule aufgesetzt ist.

3. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen (2, 4) bzw. Schalenkerne (3, 5) axial angeordnet auf einer gemeinsamen Achse sitzen.

4. Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Spulen (2, 4) ein Abstandshalter (8) angeordnet ist, der die Kopplung der beiden Spulen (2, 4) nicht beeinflußt.

5. Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe zur Abschirmung in einem Rohrkern (9) aus Ferritmaterial eingebaut ist.

6. Induktiver Näherungsschalter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Beeinflussung beider Schwingkreise so vorgenommen ist, daß der Oszillator des ersten Schwingkreises nur dann entdämpft wird, wenn der zu detektierende Körper bestimmte spezifische Materialeigenschaften aufweist.

7. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen (2, 4) bzw. die beiden Schalenkerne (3, 5) gleichen Durch messer aufweisen.

8. Induktiver Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spulen bzw. die beiden Schalenkerne verschiedene Durchmesser aufweisen.

9. Induktiver Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitige Beeinflussung der beiden Schwingkreise dergestalt ist, daß die Resonanzschwingungen beider Schwingkreise (1, 2; 4, 6, 7) übereinstimmen.