DE4031252C1

DE4031252C1 - Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifier

Info

Publication number: DE4031252C1
Application number: DE19904031252
Authority: DE
Inventors: Burkhard 5983 Balve De Tigges
Original assignee: Werner Turck & Co Kg 5884 Halver De GmbH
Current assignee: Werner Turck & Co Kg 5884 Halver De GmbH
Priority date: 1990-10-04
Filing date: 1990-10-04
Publication date: 1991-10-31
Anticipated expiration: 2010-10-05

Description

Die Erfindung betrifft einen induktiven Näherungsschalter mit einem Oszillator, der eine Sendespule speist, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei der Oszillator durch einen in das Wechselfeld eindringenden metallischen Auslöser in seinem Schwingungszustand beeinflußt wird, und mit einer Auswerteschaltung zur Gewinnung eines Schaltsignals aus der Änderung des Schwingungszustandes.

Es sind verschiedene Verfahren zur Erfassung der Annäherung eines leitfähigen Auslösers bekannt.

Beim Wirbelstromverfahren werden die durch einen Auslöser in einem magnetischen Wechselfeld hervorgerufenen Wirbelstromverluste ausgewertet. Es wird dabei das Wechselfeld meist von einem Oszillator mit LC-Schwingkreis erzeugt, welcher auf die Wirbelstromverluste mit verminderter Güte reagiert. Die daraus resultierende Änderung der Schwingungsamplitude wird bei Erreichen eines Schaltkriteriums von einer Auswerteschaltung dazu benutzt, einen Lastschalter anzusteuern. Derartige induktive Näherungsschalter sind in zahlreichen Varianten, z. B. durch die DE-AS 12 86 099, bekannt. Als nachteilig erweist sich bei diesem Verfahren, daß unterschiedlich leitende Auslöser zu unterschiedlich großen Wirbelstromverlusten und somit zu unterschiedlichen Ansprechabständen des Näherungsschalters führen. Es reduziert sich der Ansprechabstand z. B. um den Reduktionsfaktor 1/2 bis 1/3 bei Buntmetallen gegenüber magnetischen Stählen. Bei diesem Verfahren kommt es neben den "gewollten" Verlusten auch zu "parasitären" Verlusten, z. B. Verlusten durch den Wicklungswiderstand oder im Ferritmaterial und in der Vergußmasse, welche in hohem Maß von der Umgebungstemperatur abhängig sind. Derartige Näherungsschalter sind in der EP-OS 00 70 796 und in der DE-OS 38 14 131 beschrieben, wo spezielle Maßnahmen zur Verringerung der Temperaturabhängigkeit angegeben sind, die jedoch mit einem erheblichen technischen Schaltungsaufwand verbunden sind. Die beschriebenen Nachteile weisen auch ein modifiziertes Auswerteverfahren der Bedämpfung eines Oszillators durch einen metallischen Auslöser auf, das aus der DE-OS 35 27 650 bekannt ist. Dort wird der Oszillator periodisch zum Schwingen angeregt, und das Ausbleiben der Schwingung während einer Periode läßt den Näherungsschalter ansprechen. Dazu wird der Oszillator in einer modifizierten "Meißner"-Schaltung betrieben, bei der die Rückkopplung des Oszillators über einen Transformator erfolgt, dessen eine Wicklung die Schwingkreisinduktivität bildet. Die andere Wicklung ist so geschaltet, daß der Transformator eine Phasenverschiebung des rückgekoppelten Signals um 180° bewirkt. Damit weist das an den Eingang des Oszillatorverstärkers zurückgeführte Signal keine Phasenverschiebung auf.

Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, bei einem Näherungsschalter einen materialabhängigen Ansprechabstand dadurch zu vermeiden, daß das geänderte Durchlaßverhalten eines LC-Kreises in Abhängigkeit von der Frequenz als Maß für die Annäherung des Auslösers genommen wird. Neben den Wirbelstromverlusten wird dabei auch die Induktivitätsänderung der Spule ausgewertet. Bei richtiger Bauteildimensionierung, insbesondere bei Verwendung hochstabiler Komponenten, gelingt es, gleiche und nahezu temperaturunabhängige Ansprechabstände für Eisen- und Nichteisenmetalle zu erzielen. Temperaturunabhängige Ansprechabstände, die über den Spulendurchmesser hinausgehen, sind über einen großen Temperaturbereich nicht zu erreichen.

Schließlich ist es durch die DE-OS 38 40 532 bei induktiven Näherungsschaltern bekannt, über zwei räumlich getrennte Sensorspulen die komplexe Verlustleistung im Wechselfeld selbst zu messen und auszuwerten. Durch dieses Verfahren werden zwar die Einflüsse parasitärer Verluste auf den Ansprechabstand vermieden, jedoch erweist sich die direkte Messung des Sensorsignals über unbelastete Feldmeßspulen als sehr störempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen. Ferner ist der schaltungstechnische Aufwand zur dort erforderlichen mathematischen Verknüpfung eines zusätzlich notwendigen Referenzsignals mit dem Sensorsignal sehr groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Näherungsschalter zu schaffen, der nur einen geringen Herstellungsaufwand erfordert und einen gegenüber dem Spulendurchmesser großen Ansprechabstand aufweisen kann, wobei der Ansprechabstand einerseits für Auslöser aus Eisen- und Nichteisenmetallen und andererseits auch über einen weiten Temperaturbereich von beispielsweise -25°C bis +100°C gleich bleibt.

Ausgehend von einem gattungsgemäßen, z. B. durch die DE-AS 12 86 099 bekannten Näherungsschalter, wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Wechselfeld zwei Sensorspulen in unmittelbarer Differenzschaltung zur Erfassung der Differenz der in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen angeordnet sind, daß die Sensorspulen durch ihre räumliche Lage zueinander und durch die jeweiligen Windungszahlen derart ausgebildet sind, daß die Differenzwechselspannung beim gewünschten Ansprechabstand zu Null wird, und daß die Differenzwechselspannung an den Eingang des Oszillatorverstärkers zurückgeführt ist derart, daß bei einem Nulldurchgang der Differenzwechselspannung der Oszillator seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert.

Bei einem Näherungsschalter nach der Erfindung sind die in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen ein Maß für die jeweilige magnetische Durchflutung, die durch das von der Sendespule ausgehende Wechselfeld erzeugt wird. Bei einem hochohmigen Abgriff sind diese Spannungen dem magnetischen Fluß am Ort der entsprechenden Sensorspule proportional, und die Differenz der induzierten Spannungen, im folgenden Differenzwechselspannung genannt, ist dem Gradienten des Flusses proportional. Bei Eindringen eines leitfähigen Auslösers in das Wechselfeld werden in dem Auslöser Ringströme hervorgerufen, die ihrerseits ein Magnetfeld aufbauen, das dem erzeugenden Wechselfeld entgegengerichtet ist. Proportional zu der dadurch hervorgerufenen Änderung des Gradienten ändert sich auch die Differenzwechselspannung. Da für Annäherungsabstände eines Auslösers, die groß gegenüber dem Durchmesser der Sendespule sind, die Änderung des Gradienten nahezu unabhängig von der Materialart des Auslösers ist, ist auch die Differenzwechselspannung unabhängig von der Materialart des Auslösers, wodurch der Ansprechabstand des Näherungsschalters in weiten Bereichen nicht mehr von der Leitfähigkeit des Auslösers abhängt.

Im unbeeinflußten Zustand hängt die Größe der in den Sensorspulen induzierten Spannungen ab von der räumlichen Anordnung der Sensorspulen und ihren jeweiligen Windungszahlen sowie von der Feldstärke und der Frequenz des sie durchflutenden Wechselfeldes. Um den Temperatureinfluß auf die Größen Feldstärke und Frequenz zu eliminieren, sind bei der Erfindung die räumlichen Lagen der Sensorspulen und ihre Windungszahlen derart aufeinander abgestimmt, daß bei dem jeweils gewünschten Ansprechabstand die Differenzwechselspannung Null wird. Zudem ist vorteilhafterweise der erforderliche Schaltungsmehraufwand sehr gering, da wegen der Ausnutzung des Oszillators als Vorab-Auswertestufe zusätzlich zu ohnehin bei üblichen Näherungsschaltern vorhandenen Bauteilen nur die beiden Sensorspulen und eine gewisse Anpassung des Oszillatorverstärkers erforderlich sind, wobei die Stabilität des Oszillators sogar nur geringen Anforderungen genügen muß.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen werden, daß die Sendespule als Induktivität des LC-Schwingkreises des Oszillators geschaltet ist, daß der Eingang des Oszillatorverstärkers hochohmig ist und daß die beiden Sensorspulen mit entgegengesetzter Polarisierung in Reihe zwischen einem Spannungsteiler und dem hochohmigen Eingang des Verstärkers geschaltet sind.

Es entsteht so eine Oszillatorschaltung, die auf zwei verschiedene Arten arbeiten kann:

In einer ersten Betriebsart kann die Differenzwechselspannung den Oszillatorverstärker so ansteuern, daß die Schwingbedingung des Oszillators im unbeeinflußten Zustand erfüllt ist. Bei einer Annäherung eines Auslösers fällt die Differenzwechselspannung ab, bis sie beim gewünschten Ansprechabstand den Wert Null annimmt. Bei diesem Schaltkriterium reißen die Schwingungen ab, was von der Auswertstufe festgestellt und in ein Schaltsignal für den Lastschalter umgewandelt wird. Bei weiterer Annäherung des Auslösers würde der Betrag der Differenzwechselspannung wieder ansteigen, ist aber in seiner Phasenlage gegenüber dem vorherigen Zustand um 180° gedreht, so daß die Schwingbedingung nicht erfüllt wird. Erst wenn der Auslöser sich wieder aus dem Ansprechbereich entfernt hat, schwingt der Oszillator wieder an und baut erneut ein Wechselfeld auf.

In einer zweiten Betriebsart kann der Oszillatorverstärker von der Differenzwechselspannung so angesteuert werden, daß im unbeeinflußten Zustand die Schwingungsbedingung nicht erfüllt wird und der Oszillator erst nach dem, bei Überschreiten des Ansprechabstandes durch den Auslöser bewirkten, Phasenwechsel der Differenzwechselspannung zu schwingen beginnt.

Die erste Betriebsart weist gegenüber der zweiten den Vorteil auf, daß der Oszillator beim Aufbau des Wechselfeldes nicht durch die Wirbelstromverluste, die durch einen sehr nahen Auslöser bewirkt werden, zusätzlich belastet wird, so daß er insgesamt leistungsärmer ausgelegt werden kann. Vorteilhafterweise wird bei beiden Betriebsarten das Schwingungsverhalten des Oszillators bei ausreichend großem Verstärkungsfaktor des Oszillatorverstärkers ausschließlich von dem Nulldurchgang der Differenzwechselspannung bestimmt und nicht von den Eigenschaften der Sendespule oder des Oszillatorverstärkers. Der Ansprechabstand des Näherungsschalters hängt bei vorgegebenen Sensorspulen allein von der räumlichen Lage der Sensorspulen ab, wodurch die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Bauteile ohne Einfluß auf den Ansprechabstand bleibt.

Zur Gewinnung der notwendigen Differenzwechselspannung werden die zwei Sensorspulen in unmittelbarer Differenzschaltung betrieben, d. h. sie sind in Reihe geschaltet, wobei aber die Wicklungen gegenläufig sind, wodurch es zu einer Phasenverschiebung von 180° zwischen den induzierten Spannungen kommt und so über die in Reihe geschalteten Spulen die Differenzwechselspannung direkt abgreifbar anliegt.

Die Gewinnung des Schaltsignals erfolgt in bekannter Weise durch die Abfrage der Oszillatoramplitude mit Hilfe einer Aufwerteschaltung, die ihrerseits einen Lastschalter ansteuert. Hierbei erweist sich die große Störsicherheit der Anordnung durch das frequenzselektive Verhalten und die integrierende Wirkung des Oszillators als vorteilhaft.

Mögliche räumliche Anordnungen der Sende- und der beiden Sensorspulen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

Fig. 1 ein Schaltungsbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Näherungsschalters nach der Erfindung und

Fig. 2 bis Fig. 7 verschiedene räumliche Anordnungen der Sende- und Sensorspulen des Näherungsschalters.

Bei dem Näherungsschalter nach Fig. 1 wird von einem Oszillator 1 über eine Sendespule 2, die als Induktivität zusammen mit einem Kondensator 3 einen LC-Schwingkreis 4 des Oszillators 1 bildet, ein Wechselfeld erzeugt. Der LC-Schwingkreis 4 liegt in dem Kollektorkreis 5 eines Verstärkertransistors 6, der bei geringen Anforderungen an den Näherungsschalter bereits als Oszillatorverstärker 7 ausreicht. Der Schwingungszustand des Oszillators wird von einer Auswerteschaltung 8 über eine Gleichrichterschaltung 9 am Kollektorkreis 5 abgegriffen und von ihr in ein binäres Schaltsignal für einen Lastschalter 10 umgewandelt. Der Oszillator 1, die Gleichrichterschaltung 9 und die Auswerteschaltung 8 werden über die Anschlüsse 11 mit Strom versorgt.

Im Wechselfeld der Sendespule 2 befinden sich zwei Sensorspulen 12, 13 in unmittelbarer Differenzschaltung zwischen einem Spannungsteiler 14 und der Basis 15 des Verstärkertransistors 6 bzw. dem hochohmigen Eingang 16 des Oszillatorverstärkers 7. Die Widerstände 17, 18 sowie die im Emitterkreis liegende RC-Kombination legen den Arbeitspunkt des Transistors fest. Die Differenzwechselspannung UD, die sich aus der Differenz der in den Sensorspulen induzierten Spannungen U1 bis U2 ergibt, steuert das Schwingungsverhalten des Oszillators 1.

Sein Schwingungszustand wird von der Auswerteschaltung 8 festgestellt, die entsprechend den Lastschalter 10 ansteuert, der eine in seinem Lastkreis 19 liegende, nicht dargestellte Last schaltet.

Die Fig. 2 bis Fig. 5 und Fig. 7 zeigen verschiedene räumliche, koaxiale Anordnungen von Sendespule und Sensorspulen.

In Fig. 2 ist die Sendespule 20 in einem Ferrittopf 21 auf einem Mittelbutzen 22 angeordnet. Beide Sensorspulen 23, 24 liegen axial vor der Sendespule 20 auf der Seite des Auslösers 25.

In Fig. 3 sind Sende- und eine der Sensorspulen als bifilare Wicklung 26 in einem Ferrittopf 27 auf dessen Mittelbutzen 28 angeordnet, und die andere Sensorspule 29 liegt koaxial im Wechselfeld vor der bifilaren Wicklung 26.

In Fig. 4 befinden sich die bifilare Wicklung 30 und die andere Sensorspule 31 koaxial hintereinander auf dem Mittelbutzen 32 des Ferrittopfes 33, während in Fig. 5 eine konzentrische Anordnung von der bifilaren Wicklung 34 auf dem Mittelbutzen 36 und der Sensorspule 35 innerhalb des Ferrittopfes 37 gezeigt ist.

Fig. 6 zeigt eine räumliche Anordnung, bei der die Sendespule 38 auf einem Ferritkern 39 mittig zwischen den beiden Sensorspulen 40, 41 angeordnet ist, wobei alle Spulen mit ihren Ringebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Schließlich zeigt Fig. 7 eine koaxiale Anordnung der Sendespule 42 mittig zwischen den Sensorspulen 43, 44, wobei alle Spulen bündig mit der Innenwand eines Rohres 45 liegen, so daß der Näherungsschalter auf einen durch das Rohr und die Spulen hindurchfallenden Auslöser 46 anspricht.

Bezugszeichenliste

1 Oszillator
2 Sendespule
3 Kondensator
4 LC-Schwingkreis
5 Kollektorkreis
6 Verstärkertransistor
7 Oszillatorverstärker
8 Auswerteschaltung
9 Gleichrichterschaltung
10 Lastschalter
11 Anschlüsse
12 Sensorspule
13 Sensorspule
14 Spannungsteiler
15 Basis
16 Eingang
17 Widerstand
18 Widerstand
19 Lastkreis
20 Sendespule
21 Ferrittopf
22 Mittelbutzen
23 Sensorspule
24 Sensorspule
25 Auslöser
26 bifilare Wicklung
27 Ferrittopf
28 Mittelbutzen
29 Sensorspule
30 bifilare Wicklung
31 Sensorspule
32 Mittelbutzen
33 Ferrittopf
34 bifilare Wicklung
35 Sensorspule
36 Mittelbutzen
37 Ferrittopf
38 Sendespule
39 Ferritkern
40 Sensorspule
41 Sensorspule
42 Sendespule
43 Sensorspule
44 Sensorspule
45 Rohr
46 Auslöser
UD Differenzwechselspannung
U1 Spannung
U2 Spannung

Claims

1. Induktiver Näherungsschalter mit einem Oszillator (1), der eine Sendespule (2) speist, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei der Oszillator (1) durch einen in das Wechselfeld eindringenden metallischen Auslöser (25) in seinem Schwingungszustand beeinflußt wird, und mit einer Auswerteschaltung (8) zur Gewinnung eines Schaltsignals aus der Änderung des Schwingungszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechselfeld zwei Sensorspulen (12, 13) in unmittelbarer Differenzschaltung zur Erfassung der Differenz der in den beiden Sensorspulen induzierten Spannungen (U1, U2) angeordnet sind, daß die Sensorspulen (12, 13) durch ihre räumliche Lage zueinander und durch die jeweiligen Windungszahlen derart ausgebildet sind, daß die Differenzwechselspannung (UD) beim gewünschten Ansprechabstand zu Null wird, und daß die Differenzwechselspannung (UD) an den Eingang (16) des Oszillatorverstärkers (7) des Oszillators (1) zurückgeführt ist derart, daß bei einem Nulldurchgang der Differenzwechselspannung (UD) der Oszillator (1) seinen Schwingungszustand sprunghaft ändert.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (2) als Induktivität des LC-Schwingkreises (4) des Oszillators (1) geschaltet ist, daß der Eingang (16) des Oszillatorverstärkers (7) hochohmig ist und daß die beiden Sensorspulen (12, 13) mit entgegengesetzter Polarisierung in Reihe zwischen einem Spannungsteiler (14) und dem hochohmigen Eingang (16) des Oszillatorverstärkers (7) geschaltet sind.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (20) und die beiden Sensorspulen (23, 24) koaxial zueinander angeordnet sind.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (20) in einem Ferrittopf (21) mit Mittelbutzen (22) angeordnet ist und beide Sensorspulen (23, 24) vor dem Ferrittopf (21) auf der Seite des Auslösers (25) angeordnet sind.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule und eine der Sensorspulen bifilar gewickelt sind und daß die bifilare Wicklung (26) innerhalb des Ferrittopfes (27) angeordnet ist.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Sensorspule (29) vor dem Ferrittopf (27) angeordnet ist.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Sensorspule (35 oder 31) ebenfalls im Ferrittopf (37 oder 33) entweder konzentrisch zur bifilaren Wicklung (34) der ersten Sensorspule und der Sendespule oder axial der bifilaren Wicklung (30) angeordnet ist.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendespule (42) zwischen den beiden Sensorspulen (43, 44) innerhalb eines Rohres (45) angeordnet ist.

9. Näherungsschalter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensorspulen (40, 41) mit ihren Ringebenen in einer Ebene liegen und daß die Sensorspulen (40, 41) die Sendespule (38) mittig zwischen sich einfassen.