DE4031252C1 - Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifier - Google Patents
Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifierInfo
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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
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 (9)
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.
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904031252 DE4031252C1 (en) | 1990-10-04 | 1990-10-04 | Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifier |
JP21488091A JP3027242B2 (ja) | 1990-10-04 | 1991-08-27 | 誘導近接スイッチ |
DE59108136T DE59108136D1 (de) | 1990-10-04 | 1991-09-21 | Induktiver Näherungsschalter |
EP19910116098 EP0479078B1 (de) | 1990-10-04 | 1991-09-21 | Induktiver Näherungsschalter |
AT91116098T ATE142386T1 (de) | 1990-10-04 | 1991-09-21 | Induktiver näherungsschalter |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904031252 DE4031252C1 (en) | 1990-10-04 | 1990-10-04 | Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4031252C1 true DE4031252C1 (en) | 1991-10-31 |
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ID=6415489
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19904031252 Expired - Fee Related DE4031252C1 (en) | 1990-10-04 | 1990-10-04 | Inductive proximity switch - detects coil induced voltage difference which is fed to input of oscillator amplifier |
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---|---|
DE (1) | DE4031252C1 (de) |
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