DE3934593A1 - Sicherheitssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitssensor zur berührungslosen Erfassung metallischer Werkstoffe, der eine in einem vorzugsweise zylindrischen Gehäuse eingebrachte Spulenanordnung aufweist, die vornehmlich nur stirnseitig auf metallische Werkstoffe anspricht, wobei der metallische Werkstoff vermittels eines im Sensor erzeugten magnetischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes auf den Sensor rückwirkt, daß das von dem Sensor abgegebene Meßsignal eindeutig von dem zu erfassenden Werkstoff hervorgerufen ist.

In vielen Bereichen der Automatisierungstechnik ist es zunehmend erforderlich, den elektrischen Zustand eines in einer Maschine eingesetzten Sensors zu überwachen und eindeutige Informationen darüber zu erhalten, ob die Funktion dieses Sensors gewährleistet ist oder nicht. Um solche eindeutigen Aussagen zu erhalten, gibt es verschiedene Lösungs­ möglichkeiten. Die einfachste Art, zu einer ein­ deutigen Aussage zu gelangen, besteht darin, völlig gleichartigen Sensoren dieselbe Erfassungsfunktion zuzuordnen. Die Ausgangssignale dieser Sensoren werden miteinander verglichen. Ergibt sich hier ein Widerspruch, wobei von mindestens drei Sensoren auszugehen ist, muß auf einen Fehler geschlossen werden. Solche technischen Lösungen sind in der Regel insbesondere bei beengten Einbauverhältnissen nicht realisierbar, so daß in den meisten Fällen auf ein anderes Verfahren zurückgegriffen wird. Bei diesen Verfahren wird dem eigentlichen Detektions­ signal ein Code überlagert, der in einer konti­ nuierlichen Signalunterbrechung in Form einer Codierung besteht oder es wird dem eigentlichen Meßsignal ein Zusatzsignal überlagert. Auch sind Verfahren bekannt, die nach Aussendung eines Primärsignals die zeit­ lich verschobene Antwort des zu erfassenden Materials aus­ werten.

Unter sicherheitstechnischen Aspekten sind alle genannten Verfahren problematisch, weil sie eine aufwendige elek­ tronische Auswertung erfordern. Jede elektronische Aus­ wertungsanordnung muß jedoch wieder ihrerseits sicher­ heitstechnischen Aspekten unterworfen werden, so daß sichergestellt ist, daß die eigentliche Signalantwort nicht durch einen Fehler in der elektronischen Auswertung hervorgerufen ist. Diese Forderung führt wiederum im Bereich der Auswertung wie auch im Bereich des Primärverstärkers für den Sensor zu aufwendigen Schaltungen, die zudem auch vor äußeren Störeinflüssen geschützt werden müssen. Diese Störeinflüsse können z. B. in einfacher Weise durch die Überkopplung des überlagerten Codierungssignals auf den eigentlichen Meßausgang entstehen.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Sensor zu ent­ werfen, der bereits im Sensorelement eine auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhende Wandlung zwischen Codierung und Detektionssignal gewährleistete, und der aufgrund ein­ deutig unterschiedlicher Signalformen zwischen Generator und Detektorsignal eine Überkopplung auf dem Übertragungs­ wege vermied.

Diese Aufgabenstellung wird in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, daß der Sensor im Prinzip aus einem Trans­ formator besteht, dessen Primärspule an einen Generator an­ schlossen ist, der ein dreieckförmiges Signal liefert, wobei das Dreiecksignal vornehmlich einer Stromquelle entnommen ist, jedoch ist eine ähnliche Funktion auch mit einer Spannungs­ quelle erzielbar.

Aufgrund des Induktionsgesetzes liegt am Ausgang der Sekundärspule ein Rechtecksignal gleicher Frequenz wie der des Dreiecksignals an. Um eine hohe Empfindlichkeit eines solchen Detektors zu erreichen, besteht die Sekundär­ spule aus zwei Einzelspulen, die mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sind. Die Generatorspule ist zwischen diesen beiden Spulen angeordnet, ein zylindrischer Ferritkern koppelt alle drei Spulen miteinander. Im kom­ pensierten Zustand ist die Sekundärspannung Null und steigt an, wenn die magnetische Symmetrie durch Annäherung eines metallischen vorzugsweise ferromagnetischen Materials gestört ist. Wird diese Anordnung so betrieben, daß im Ruhezustand der Ausgangspegel nicht Null, sondern von Null verschieden ist, so ist das sich in diesem Fall ergebende Rechteck-Ausgangssignal gleichzeitig eine sichere Funktions­ meldung für den Sensor. Dieses Rechtecksignal kann nur dann auftreten, wenn die gesamte Detektoranordnung ein­ schließlich des Vorverstärkers in Funktion ist. Jede Störung auch im unbetätigten Zustand führt zum Verschwinden des Rechtecksignals. Der betätigte Zustand kann dadurch signalisiert werden, daß das Rechtecksignal eine fest vor­ geschriebene Amplitudenschwelle überschreitet. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Generatordreieckspannung konstant ist.

Die weitere Ausbildung der Erfindung ist in den Patent­ ansprüchen und den nachfolgenden Ausführungsbeispielen ausgeführt.

Die Generatorspule (3) und die Detektorspulen (1, 2) sind auf einen Spulenkörper (4) aufgewickelt. Im Zentrum des Spulenkörpers befindet sich ein Ferritstab (5). Diese Spulenanordnung nach Bild 1 ist in Bild 2 in ein Edel­ stahlgehäuse (9) eingebracht, in der Weise, daß der Spulenkörper (4) dicht an den stirnseitigen Abschluß des Edelstahlgehäuses (10) gebracht ist. Innerhalb des Gehäuses (11) ist eine Platine (12) angeordnet. Der frei verbleibende Raum innerhalb des Gehäuses ist mit Gießharz aufgefüllt. Den Stromlaufplan zeigt Bild 3. Die gegenphasig gewickelten Detektorspulen (1, 2) sind an den Eingang eines Operationsverstärkers (13) angeschlossen. Die Dreieck­ generatorspannung wird dem Anschluß (14) zugeführt. Aus dieser Generatorspannung wird vermittels eines Diode die Gleichspannung für den Operationsverstärker gewonnen (15). Das Ausgangssignal liegt am Anschluß (16) an. Den prinzipiellen Signalverlauf zeigt Bild 4. Die Generator­ spannung (17), die auch ein Generatorstrom sein kann, induziert je nach Abgleich der Spulenanordnung ein recht­ eckförmiges Signal (18, 19). Bei Umkehr des Dreiecksignals (17) wechselt die sekundäre Rechteckspannung ihr Vorzeichen. Zur Sicherheitsüberwachung können für einen Nullpegel eine Mindestschwelle, die nicht unterschritten werden darf (21) und eine Schaltschwelle, die Betätigung signalisiert (20) gewählt werden. Den typischen Signalverlauf bei Annäherung von Eisen (23) an die stirnseitige, empfindliche Fläche des Sensors (9) zeigt Bild 5. Daß sich hier kein exakter Rechteckverlauf ergibt, hängt auch damit zusammen, daß im Falle einer Spannungssteuerung kein exakter dreieckförmiger Stromverlauf vorliegt. Das Verhalten des Sensors bei An­ näherung von nicht ferromagnetischen Materialen, wie z. B. Aluminium (22) zeigt Bild 6.

Anstelle eines Rechteckes ergeben sich hier für diese Werk­ stoffe typische Dreieckimpulse (24). Der beschriebene Sensor ist daher auch in der Lage, zwischen ferromagnetischen und nicht ferromagnetischen Werkstoffen aufgrund der Signalhüll­ kurve zu unterscheiden. Bild 7 zeigt die Kombination von z. B. Aluminium (22) und Eisen (23) als betätigender Werk­ stoff. Im wesentlichen überlagern sich hier beide Signal­ formen, ohne sich gegenseitig zu stören, wobei der Signal­ pegel für ferromagnetische Werkstoffe, in diesem Falle Eisen (23), weitgehend unbeeinflußt durch das Zwischenschalten von Aluminium ist. Diese Verhaltensweise des Sensors insbe­ sondere bei dem Betrieb mit Tiefenfrequenzen um 100 Hz erwei­ tert auch den Anwendungsbereich dahingehend, daß ferromagnetische Materialien durch Wandungen, die z. B. aus Aluminium gefertigt sind, hindurch erkannt werden können.

Claims (12)

1. Sicherheitssensor zur berührungslosen Erfassung metallischer Werkstoffe, der eine in einem vorzugs­ weise zylindrischen Gehäuse eingebrachte Spulen­ anordnung aufweist, die vornehmlich nur stirnseitig auf metallische Stoffe anspricht, wobei solche Werk­ stoffe vermittels eines im Sensor erzeugten magnetischen oder elektromagnetischen Wechselfeldes so auf den Sensor rückwirken, daß das von dem Sensor abgegebene Meßsignal eindeutig von dem zu erfassenden Werkstoff hervorgerufen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung mindestens eine Generatorspule als Primärspule und mindestens eine Detektorspule als Sekundärspule auf­ weist, die transformatorisch, vorzugsweise durch einen Ferritkern, miteinander gekoppelt sind, und daß die Primärspule mit einer dreieckförmig verlaufen­ den Generatorspannung angesteuert ist.

2. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärspule auf einem zylin­ drischen Ferritkern aufgebracht sind.

3. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß entweder die Primär- oder die Sekundär­ spule aus zwei gleichartigen Einzelspulen bestehen, deren Wicklungssinn entgegengesetzt ist und die dritte Spule zwischen beiden ersten Spulen angeordnet ist.

4. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Generator eine spannungssteuerbare Spannungsquelle oder Stromquelle darstellt.

5. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Serie mit der Generatorspule ein Ohmscher Widerstand geschaltet ist.

6. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Signal der Detektorspule auf die Eingänge eines Differenzverstärkers geschaltet ist.

7. Sicherheitssensor nach Anspruch 6 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Differenzverstärker seine Versorgungs­ spannung aus der Generatordreieckspannung erhält.

8. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorsignal einer Schaltungsanordnung zugeführt ist, die die Hüll­ kurve des Detektorsignals identifiziert.

9. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung in ein einteilig gefertigtes Metallgehäuse eingebracht ist, welches rückseitig offen und am Ort der ein­ gebrachten Spulenanordnung stirnseitig geschlossen ist.

10. Sicherheitssensor nach Anspruch 9 dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäusematerial aus Edelstahl besteht.

11. Sicherheitssensor nach Anspruch 9 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitige Bodendicke wesentlich dünner als die Zylinderwandung, zwischen 0,1-0,5 mm gewählt ist.

12. Sicherheitssensor nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Generators niedrig im Bereich 100 Hz gewählt ist.