DE4004450C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter
mit den aus dem Oberbegriff des Hauptanspruches aufgeführ
ten Merkmalen.
Induktive Näherungsschalter dieser Art sind durch die
EP 00 96 332 B1 und die DE 35 14 833 A1 bekannt. Auch dort
ist die von einem einstellbaren Oszillator gespeiste
Induktionsspule Teil eines Resonanzkreises, und die Aus
werteschaltung weist einen Amplitudendetektor auf. Die
vorbekannten induktiven Näherungsschalter sind jedoch mit
dem auch von anderen induktiven Näherungsschaltern her
bekannten Nachteil behaftet, daß sie nicht nur auf ein
vorgesehenes Betätigungsorgan, sondern auch auf andere
metallische Gegenstände, die in den Einflußbereich der
Induktionsspule gelangen, reagieren können. Aus diesem
Grunde ist der Einsatz induktiver Näherungsschalter bei
spielsweise an Werkzeugmaschinen, wo Metallspäne anfallen,
bislang immer problematisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven
Näherungsschalter der eingangs genannten Art so auszubil
den, daß er eindeutig nur auf ein bestimmtes Betätigungs
organ anspricht und Fehlschaltungen durch andere metalli
sche Gegenstände ausgeschlossen sind.
Die gestellte Aufgabe wird mit einem induktiven Näherungs
schalter der genannten Art erfindungsgemäß dadurch er
zielt, daß im Betätigungsorgan ein Resonanzkreis mit der
gleichen Resonanzfrequenz angeordnet ist.
Bei einem induktiven Näherungsschalter gemäß der Erfindung
wird also nicht nur die sich bei der Näherung eines Be
tätigungsorgans verändernde Amplitude eines elektrischen
Signales ausgewertet, sondern auch noch die Frequenz als
eine zweite Kenngröße verwendet und das Betätigungsorgan
mit einer speziellen Frequenz markiert. Erst wenn ein
metallisches Betätigungsorgan mit dieser speziellen
Frequenzmarkierung in den Wirkungsbereich der Induktions
spule kommt, erfolgt eine Auswertung einer Signalamplitude
zur Auslösung eines Schaltvorganges. Dabei kann vorteil
hafterweise der von dem Oszillator gespeiste Resonanzkreis
ein Serienresonanzkreis und der im Betätigungsorgan ange
ordnete Resonanzkreis ein Parallelresonanzkreis sein.
Vorteilhafterweise kann im vom Oszillator gespeisten
Resonanzkreis die Induktionsspule in Reihe mit einem
Kondensator parallel zu dem Kollektorwiderstand eines Transi
stors gelegt sein. Die Verstärkung einer Tansistorstufe
ist proportional dem Kollektorwiderstand, unabhängig von
der Frequenz. Durch den parallel geschalteten Parallel
resonanzkreis ergibt sich ein sog. Kerbfilter, und ein in
der Verstärkerstufe eingekoppeltes Signal mit der
Resonanzfrequenz erscheint am Ausgang der Verstärkerstufe sehr
stark abgeschwächt. Durch den Resonanzkreis gleicher
Resonanzfrequenz des Betätigungsorgans entsteht aber im Kerb
bereich der Resonanzkurve eine Resonanzspitze, deren Höhe
von der Stärke der induktiven Koppelung abhängt, also als
Maß für die Annäherung des Betätigungsorgans ausgewertet
werden kann. Der Resonanzkreis im einen Schaltungsteil
erhöht als praktisch die Wirkung des im anderen Schaltungs
teil enthaltenen Resonanzkreises.
Der amplitudenstabilisierte und oberwellenarme Oszillator
kann erfindungsgemäß mit einer Frequenzregelstufe gekoppelt
sein. Die Auswerteschaltung des Näherungsschalters
kann vorteilhafterweise hinter dem Amplitudendetektor
eine den Schaltvorgang auslösende erste Vergleichsstufe
und eine die Frequenzregelstufe ein- und ausschaltende
zweite Vergleichsstufe aufweisen, wobei die zweite Ver
gleichsstufe auf einen niedrigeren Sollspannungswert als
die erste Vergleichsstufe eingestellt sein kann. Mit der
Frequenzregelstufe läßt sich der Umstand berücksichtigen,
daß bei Annäherung des Betätigungsorgans nicht nur eine
Amplitudenveränderung erfolgt, sondern auch eine
Verschiebung der Resonanzfrequenzspitze auftreten kann.
Mit den genannten Schaltungselementen läßt sich der Oszil
lator, ausgehend von einer Warteresonanzfrequenz, durch
eine Frequenznachregelung im Maximum einer Resonanzsignal
spitze halten.
Vorteilhafterweise kann die Auswerteschaltung einen eine
Phasenverschiebung der Spannung im Serienresonanzkreis
erfaßbaren Phasendetektor aufweisen, dessen Ausgang mit
einem Eingang der Frequenzregelstufe des Oszillators ver
bunden ist. Außerdem kann vor einen der Eingänge des
Phasendetektors ein Phasenschieber gelegt sein. Der Phasen
schieber erlaubt eine vorzeichengerechte Auswertung des
Ausgangssignals des Phasendetektors.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs
gemäß ausgebildeten induktiven Näherungsschalters anhand
der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des Näherungsschalters;
Fig. 2 eine Einzeldarstellung der Resonanzkreise
einer Filterstufe des Näherungsschalters
und des Betätigungsorgans des Näherungs
schalters;
Fig. 3 die Amplituden Frequenz-Kennlinie der
Filterstufe des Näherungsschalters;
Fig. 4 eine Spannungskennlinie des Näherungs
schalters;
Fig. 5 einen Stromlaufplan des Näherungsschalters
nach Fig. 1.
Das Blockschaltbild nach Fig. 1 des induktiven Näherungs
schalters zeigt einen Oszillator 10, hier einen VCO
(voltage controlled oscillator) mit zwei Eingängen 10.1)
10.2 und zwei Ausgängen 10.3, 10.4. Der eine Ausgang 10.4
des Oszillators 10 ist mit einem Eingang 11.1 eines
Filters 11 verbunden, das einen in Fig. 2 einzeln dargestellten
Serienresonanzkreis aufweist, der aus einer Spule 12
und einem Kondensator 13 besteht, von welchem in Fig. 1
die Spule 12 dargestellt ist. Der Serienresonanzkreis
12/13 ist gemäß Fig. 2 parallel zu dem Kollektorwiderstand
14 eines Verstärkungstransistors 15 des Schaltkreises des
Filters 11 gelegt und wirkt mit einem Parallelresonanz
kreis 16 zusammen, der aus einer Spule 17 und einem
Kondensator 18 besteht und in einem Betätigungsorgan 19 des
induktiven Näherungsschalters angeordnet ist. Bei der
Annäherung des Betätigungsorgans 19 an die Spule 12 der
Filterstufe 11 erfolgt eine induktive Koppelung der beiden
Resonanzkreise, die in Fig. 2 durch Pfeile und den Buch
staben M angezeigt ist. Diese induktive Koppelung ist ab
hängig vom Abstand des Betätigungsorgans 19 von der
Induktionsspule 12, und dieser Abstand ist in Fig. 1 mit s
bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 ist der Ausgang 11.2 des Filters 11 mit einem
Eingang 20.1 eines Amplitudendetektors 20 verbunden, der
an seinem Ausgang 20.2 ein Gleichspannungssignal liefert.
Der Oszillator 10 ist mit einem Amplitudenregelkreis ver
sehen, der durch eine Verbindungsleitung 21 zwischen dem
Ausgang 10.3 und dem Eingang 10.1 des Oszillators angedeutet
ist. Sein anderer Ausgang 10.4 ist nicht nur mit dem
Eingang 11.1 des Filters 11, sondern auch noch mit einem
Eingang 22.1 eines Phasenschiebers 22 verbunden, dessen
Ausgang 22.2 wiederum mit einem der Eingänge 23.1 eines
Phasenkomparators 23 verbunden ist, dessen anderer Eingang
23.2 mit dem Ausgang des Filters 11.2 verbunden ist. Der
Ausgang 23.3 des Phasenkomparators ist mit einem Eingang
24.1 einer Regelstufe 24 verbunden, die zusätzlich einen
Steuereingang 24.2 aufweist und deren Ausgang 24.3 mit dem
Eingang 10.2 des Oszillators 10 verbunden ist.
Der ein Gleichspannungssignal liefernde Ausgang 20.2 des
Amplitudendetektors 20 ist jeweils mit dem einen Eingang
25.1, 26.1 von zwei Komparatoren 25 und 26 verbunden, auf
deren zweite Eingänge 25.2 und 26.2 jeweils eine gesonderte
Bezugsspannung gelegt ist. Der Ausgang 25.3 des einen
Komparators 25 ist mit dem Steuereingang 24.2 der Regel
stufe 24 verbunden. Der Ausgang des anderen Komparators 26
bildet den Ausgang 27 des induktiven Näherungsschalters.
Der Stromlaufplan zu dem Blockschaltbild der Fig. 1 und
der Einzelaufbau der Schaltungsblöcke ist in Fig. 5 darge
stellt, wo die einzelnen Schaltblöcke jeweils mit einer
strichpunktierten Linie umgrenzt und entsprechend Fig. 1
bezeichnet sind. Auf eine Beschreibung der einzelnen
Schaltungsteile wird bewußt verzichtet, da der Stromlauf
plan die Wirkungsweise der Schaltungsblöcke erkennen
läßt.
Die Wirkungsweise der Schaltung und einzelner Schaltungs
teile ist folgende:
Der Serienresonanzkreis 12/13 wirkt als Saugkreis in der
den Transistor 15 aufweisenden Verstärkungsstufe des
Filters 11 und bewirkt eine aus Fig. 3 ersichtliche Induk
tionssignalkurve 28, deren Amplitude zur Resonanzfrequenz
fres hin stark abfällt. Diese Resonanzstelle ist in
Fig. 3 mit 29 bezeichnet. Nähert sich der Induktionsspule
12 des Serienresonanzkreises das Betätigungsorgan 19 mit
seinem auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmten
Resonanzkreis 16, so entsteht über der Resonanzstelle 29 der
Signalkurve 28 eine Resonanzspitze 30, deren Höhe von dem
Abstand s des Betätigungsorgans 19 von der Induktions
spule 12 abhängt, wie in Fig. 3 durch eine Zusatzordinate
31 für den Abstand s angedeutet ist. Mittels des Amplituden
detektors 20 wird die Höhe, d. h. die Spannungsamplitude
dieser Resonanzspitze gemessen und ein entsprechendes Ein
gangssignal auf die beiden Komparatoren 25 und 26
gegeben.
Der Oszillator 10 liefert an das Filter 11 ein Signal
fester Amplitude und einer vorgegebenen Frequenz, die
jedoch bei der Annäherung des Betätigungsorganes 19 durch
die Frequenzregelstufe 24 geändert, d. h. einer in Fig. 3
nicht eingezeichneten Verschiebung der Resonanzspitze 30
im Frequenzwert nachgeführt wird. Die beiden Komparatoren
25 und 26, die das Gleichspannungs-Ausgangssignal des
Amplitudendetektors 20 erhalten, sind an Bezugsspannungen
gelegt, von denen eine einem bestimmten Abstand s ent
spricht, bei welchem der Näherungsschalter in Funktion
treten soll. Fig. 4 zeigt den Verlauf der Gleichspannungs
kurve 31 im Bereich der Resonanzspitze 30 in Abhängigkeit
vom Abstand s des Betätigungsorgans 19. In das Diagramm
der Fig. 4 sind die beiden unterschiedlichen Bezugs
spannungen U ref1 und U ref2 eingezeichnet, die an den
zweiten Eingang 25.2 des Komparators 25 bzw. den zweiten
Eingang 26.2 des Komparators 26 angelegt werden und welche
die unterschiedlichen Schaltschwellen der beiden Kompara
toren 25 und 26 bilden. Der Komparator 26, der das Aus
gangssignal des Nährungsschalters liefert, ist auf die
größere Bezugsspannung U ref2 gesetzt, die später
erreicht wird, so daß zuerst der Komparator 25 bei U ref1
anspricht und den Frequenzregler 24 freigibt. Das Aus
gangssignal des Filters 11 wird im Phasenkomparator 23
daraufhin überwacht, ob sich bei der Annäherung des
Betätigungsorgans 19 die Resonanzfrequenz in der Resonanz
spitze 30 im Diagramm der Fig. 3 nach rechts oder nach
links verschiebt. Der Phasenkomparator kann gemäß Fig. 5
einen als integrierte Schaltung aufgebauten, handelsüblichen
Ringmischer 32 aufweisen. Mit der Nachregelung der
Frequenz erhöht sich das Gleichspannungs-Ausgangssignal am
Ausgang 20.2 des Amplitudendetektors 20 nochmals gering
fügig. Wenn der Spannungswert die Höhe der Bezugsspannung
U ref2 erreicht hat, erscheint ein Schaltsignal am Aus
gang 27 des Nährungschalters.
Der Phasenschieber 22, der mit dem Ausgang 10.4 des Oszil
lators 10 verbunden ist, ist für die korrekte Funktion des
Phasenkomparators 23 erforderlich. Der Phasenkomparator 23
allein würde ein Ausgangssignal liefern, das keine vor
zeichengerechte Erfassung der Phasendifferenz erlaubt.
Erst eine mittels des Phasenschiebers 22 erreichte zusätz
liche Phasenverschiebung um 90° erlaubt die Feststellung,
ob die Phasendifferenz ins Negative oder ins Positive
geht.
Claims (8)
1. Induktiver Näherungsschalter mit einer von einem ein
stellbaren Oszillator gespeisten Induktionsspule und
einem der Induktionsspule näherbaren Betätigungsorgan,
wobei die Induktionsspule Teil eines Resonanzkreises
ist, an welchen eine mindestens einen Amplituden
detektor aufweisende Auswerteschaltung angeschlossen
ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Betätigungsorgan
(19) ein Resonanzkreis (16) mit der gleichen Resonanz
frequenz angeordnet ist.
2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der von dem Oszillator (10) gespeiste Reso
nanzkreis (12/13) ein Serienresonanzkreis und der im
Betätigungsorgan (19) angeordnete Resonanzkreis (16)
ein Parallelresonanzkreis ist.
3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß im vom Oszillator (10) gespeisten
Resonanzkreis (12/13) die Induktionsspule (12) in Reihe
mit einem Kondensator (13) parallel zu dem Kollektor
widerstand (14) eines Transistors (15) gelegt ist.
4. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (10) ampli
tudenstabilisiert, oberwellenarm und mit einer Fre
quenzregelstufe (24) gekoppelt ist.
5. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung einen
eine Phasenverschiebung der Spannung im vom Oszillator
(10) gespeisten Resonanzkreis (12/13) erfaßbaren
Phasenkomparator (23) aufweist, dessen Ausgang (23.3)
mit einem Eingang (24.1) einer Frequenzregelstufe (24)
des Oszillators (10) verbunden ist.
6. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteschaltung hinter dem Amplituden
detektor (20) eine den Schaltvorgang auslösende erste
Vergleichsstufe (26) und eine die Frequenzregelstufe
(24) ein- und ausschaltende zweite Vergleichsstufe (25)
aufweist.
7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß die zweite Vergleichsstufe (25) auf einen
niedrigen Sollspannungswert (U ref 1) als die erste
Vegleichsstufe (26) eingestellt ist.
8. Näherungsschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß vor einem der Eingänge (23.1) des Phasen
komparators (23) ein Phasenschieber (22) gelegt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19904004450 DE4004450A1 (de) | 1990-02-14 | 1990-02-14 | Induktiver naeherungsschalter |
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